全固态电池界面的研究进展

王晗 安汉文 单红梅 赵雷 王家钧

引用本文: 王晗, 安汉文, 单红梅, 赵雷, 王家钧. 全固态电池界面的研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2007070-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007070 shu
Citation:  Wang Han, An Hanwen, Shan Hongmei, Zhao Lei, Wang Jiajun. Research Progress on Interfaces of All-Solid-State Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(11): 2007070-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007070 shu

全固态电池界面的研究进展

    作者简介:



    王家钧,哈尔滨工业大学教授,获批哈尔滨工业大学青年科学家工作室,2012-2017年,美国布鲁克海文国家实验室科学家。主要研究方向为电池材料与同步辐射三维成像技术;
    通讯作者: 王家钧, jiajunhit@hit.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(U1932205)和黑龙江省自然科学基金(ZD2019B001)资助项目

摘要: 采用固态电解质代替有机电解液的全固态电池具有高能量密度和高安全性等优点,为下一代能量存储设备提供了一种很有发展前途的解决方案。然而,大多数固态电解质和电极活性物质间都存在严重的界面问题,制约固态电池的实际应用;解决固态电池中的固-固界面问题,提升固态电池电化学性能是目前的研究热点。本文详细总结了固态电池中的界面挑战、改善策略以及针对界面问题的表征方法,并展望了固态电池今后发展中的关键方向和趋势。

English

    1. [1]

      Hoshina, K.; Dokko, K.; Kanamura, K. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, A2138. doi: 10.1149/1.2041967

    2. [2]

      Huo, H. Y.; Liang, J. N.; Zhao, N.; Li, X. N.; Lin, X. T.; Zhao, Y.; Adair, K.; Li, R. Y.; Guo, X. X.; Sun, X. L. ACS Energy Lett. 2020, 5, 2156. doi: 10.1021/acsenergylett.0c00789

    3. [3]

      Huo, H. Y.; Sun, J. Y.; Chen, C.; Meng, X. L.; He, M. H.; Zhao, N.; Guo, X. X. J. Power Sources 2018, 383, 150. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.02.026

    4. [4]

      Yamamoto, K.; Yoshida, R.; Sato, T.; Matsumoto, H.; Kurobe, H.; Hamanaka, T.; Kato, T.; Iriyama, Y.; Hirayama, T. J. Power Sources 2014, 266, 414. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.04.154

    5. [5]

      Haruyama, J.; Sodeyama, K.; Han, L. Y.; Takada, K.; Tateyama, Y. Chem. Mater. 2014, 26, 4248. doi: 10.1021/cm5016959

    6. [6]

      Zhang, W. B.; Richter, F. H.; Culver, S. P.; Leichtweiss, T.; Lozano, J. G.; Dietrich, C.; Bruce, P. G.; Zeier, W. G.; Janek, J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 22226. doi: 10.1021/acsami.8b05132

    7. [7]

      Wenzel, S.; Randau, S.; Leichtwei, T.; Weber, D. A.; Sann, J.; Zeier, W. G.; Janek, J. Chem. Mater. 2016, 28, 2400. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b00610

    8. [8]

      Sakuda, A.; Hayashi, A.; Tatsumisago, M. Chem. Mater. 2010, 22, 949. doi: 10.1021/cm901819c

    9. [9]

      Huang, Y.; Chen, B.; Duan, J.; Yang, F.; Wang, T. R.; Wang, Z. F.; Yang, W. J.; Hu, C. C.; Luo, W.; Huang, Y. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 3699. doi: 10.1002/anie.201914417

    10. [10]

      Xia, Y. Y.; Fujieda, T.; Tatsumi, K.; Prosini, P. P.; Sakai, T. J. Power Sources 2001, 92, 234. doi: 10.1016/S0378-7753(00)00533-4

    11. [11]

      Zhang, D. C.; Zhang, L.; Yang, K.; Wang, H. Q.; Yu, C.; Xu, D.; Xu, B.; Wang, L. M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 36886. doi: 10.1021/acsami.7b12186

    12. [12]

      Xu, B, Y.; Li, W. L.; Duan, H. N.; Wang, H. J.; Guo, Y. P.; Li, H.; Liu, H. Z. J. Power Sources 2017, 354, 68. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.04.026

    13. [13]

      Fu, K.; Gong, Y. H.; Fu, Z. Z.; Xie, H.; Yao, Y. G.; Liu, B. Y.; Carter, M.; Wachsman, E.; Hu, L. B. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14942. doi: 10.1002/anie.201708637

    14. [14]

      Xiong, S. Z.; Liu, Y. Y.; Jankowski, P.; Liu, Q.; Nitze, F.; Xie, K.; Song, J. X.; Matic, A. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2001444. doi: 10.1002/adfm.202001444

    15. [15]

      Kato, A.; Hayashi, A.; Tatsumisago, M. J. Power Sources 2016, 309, 27. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.01.068

    16. [16]

      Wakasugi, J.; Munakata, H.; Kanamura, K. J. Electrochem. Soc. 2017, 164, A1022. doi: 10.1149/2.0471706jes

    17. [17]

      Han, F. D.; Westover, A. S.; Yue, J.; Fan, X. L.; Wang, F.; Chi, M. F.; Leonard, D. N.; Dudney, N.; Wang, H.; Wang, C. S. Nat. Energy 2019, 4, 187. doi: 10.1038/s41560-018-0312-z

    18. [18]

      Han, X. G.; Gong, Y. H.; Fu, K.; He, X. F.; Hitz, G. T.; Dai, J. Q.; Pearse, A.; Liu, B. Y.; Wang, H.; Rublo, G.; et al. Nat. Mater. 2017, 16, 572. doi: 10.1038/NMAT4821

    19. [19]

      Feng, W. L.; Dong, X. L.; Li, P. L.; Wang, Y. G.; Xia, Y. Y. J. Power Sources 2019, 419, 91. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.02.066

    20. [20]

      Deng, T.; Ji, X.; Zhao, Y.; Cao, L. S.; Li, S.; Hwang, S.; Luo, C.; Wang, P. F.; Jia, H. P.; Fan, X. L. Adv. Mater. 2020, 32, 2000030. doi: 10.1002/adma.202000030

    21. [21]

      Huo, H. Y.; Chen, Y.; Li, R. Y.; Zhao, N.; Luo, J.; da Silva, J. G. P.; Mucke, R.; Kaghazchi, P.; Guo, X. X.; Sun, X. L. Energy Environ. Sci. 2020, 13, 127. doi: 10.1039/c9ee01903k

    22. [22]

      Manthiram, A.; Yu, X. W.; Wang, S. F. Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 16103. doi: 10.1038/natrevmats.2016.103

    23. [23]

      金锋, 李静, 胡晨吉, 董厚才, 陈鹏, 沈炎宾, 陈立桅.物理化学学报, 2019, 35, 1399. doi: 10.3866/PKU.WHXB201904085Jin, F.; Li, J.; Hu, C. J.; Dong, H. C.; Chen, P.; Shen, Y. B.; Chen, L. W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 1399. doi: 10.3866/PKU.WHXB201904085

    24. [24]

      杜奥冰, 柴敬超, 张建军, 刘志宏, 崔光磊.储能科学与技术, 2016, 5, 627. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0020Du, A. B.; Chai, J. C.; Zhang, J. J.; Liu, Z. H.; Cui, G. L. Energy Storage Sci. Technol. 2016, 5, 627. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0020

    25. [25]

      李杨, 丁飞, 桑林, 钟海, 刘兴江.储能科学与技术, 2016, 5, 615. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0043Li, Y.; Ding, F.; Sang, L.; Zhong, H.; Liu, X. J. Energy Storage Sci. Technol. 2016, 5, 615. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0043

    26. [26]

      Huo, H. Y.; Zhao, N.; Sun, J. Y.; Du, F. M.; Li, Y. Q.; Guo, X. X. J. Power Sources 2017, 372, 1. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.10.059

    27. [27]

      Huo, H. Y.; Li, X. N.; Sun, Y. P.; Lin, X. T.; Kieran, D. D.; Liang, J. W.; Gao, X. J.; Li, R. Y.; Huang, H.; Guo, X. X.; et al. Nano Energy 2020, 73, 104836. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104836

    28. [28]

      Huo, H. Y.; Chen, Y.; Luo, J.; Yang, X. F.; Guo, X. X. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1804004. doi: 10.1002/aenm.201804004

    29. [29]

      Bae, J.; Li, Y. T.; Zhang, J.; Zhou, X. Y.; Zhao, F.; Shi, Y.; Goodenough, J. B.; Yu, G. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2096. doi: 10.1002/anie.201710841

    30. [30]

      Liu, Q.; Liu, Y. Y.; Jiao, X. X.; Song, Z. X.; Sadd, M.; Xu, X. X.; Matic, A.; Xiong, S. Z.; Song, J. X. Energy Storage Mater. 2019, 23, 105. doi: 10.1016/j.ensm.2019.05.023

    31. [31]

      Cao, Y.; Zuo, P. J.; Lou, S. F.; Sun, Z.; Li, Q.; Huo, H.; Ma, Y. L.; Du, C. Y.; Gao, Y. Z.; Yin, G. P. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 6533. doi: 10.1039/c9ta00146h

    32. [32]

      Li, Y. T.; Chen, X.; Dolocan, A.; Cui, Z. M.; Xin, S.; Xue, L. G.; Xu, H. H.; Park, K.; Goodenough, J. B. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6448. doi: 10.1021/jacs.8b03106

    33. [33]

      Huo, H. Y.; Chen, Y.; Zhao, N.; Lin, X. T.; Luo, J.; Yang, X. F.; Liu, Y. L.; Guo, X. X.; Sun, X. L. Nano Energy 2019, 61, 119. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.04.058

    34. [34]

      Huo, H. Y.; Luo, J.; Thangadurai, V.; Guo, X. X.; Nan, C. W.; Sun, X. L. ACS Energy Lett. 2020, 5, 252. doi: 10.1021/acsenergylett.9b02401

    35. [35]

      Liang, J. W.; Chen, N.; Li, X. N.; Li, X.; Adair, K. R.; Li, J. J.; Wang, C. H.; Yu, C.; Banis, M. N.; Zhang, L.; et al. Chem. Mater. 2020, 32, 2664. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b04764

    36. [36]

      Lepley, N. D.; Holzwarth, N. A. W.; Du, Y. J. A. Phys. Rev. B 2013, 88, 104103. doi: 10.1103/PhysRevB.88.104103

    37. [37]

      Ong, S. P.; Mo, Y. F.; Richards, W. D.; Miara, L.; Lee, H. S.; Ceder, G. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 148. doi: 10.1039/c2ee23355j

    38. [38]

      Wu, F.; Fitzhugh, W.; Ye, L. h.; Ning, J. X.; Li, X. Nat. Commun. 2018, 9, 4037. doi: 10.1038/s41467-018-06123-2

    39. [39]

      Zhou, W. D.; Wang, S. F.; Li, Y. T.; Xin, S.; Manthiram, A.; Goodenough, J. B. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 9385. doi: 10.1021/jacs.6b05341

    40. [40]

      Wu, J. F.; Pang, W. K.; Peterson, V. K.; Wei, L.; Guo, X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 12461. doi: 10.1021/acsami.7b00614

    41. [41]

      Du, F. M.; Zhao, N.; Li, Y. Q.; Chen, C.; Liu, Z. W.; Guo, X. X. J. Power Sources 2015, 300, 24. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.09.061

    42. [42]

      Li, H. Q.; Liu, F. Y.; Li, Z. Y.; Wang, S. F.; Jin, R. H.; Liu, C. Y.; Chen, Y. M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 17925. doi: 10.1021/acsami.9b06754

    43. [43]

      Cao, D. X.; Zhang, Y. B.; Nolan, A. M.; Sun, X.; Liu, C.; Sheng, J. Z.; Mo, Y. F.; Wang, Y.; Zhu. H. L. Nano Lett. 2020, 20, 1483. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b02678

    44. [44]

      Wang, L. P.; Zhang, X. D.; Wang, T. S.; Yin, Y. X.; Shi, J. L.; Wang, C. R.; Guo, Y. G. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801528. doi: 10.1002/aenm.201801528

    45. [45]

      Ohta, N.; Takada, K.; Zhang, L. Q.; Ma, R. Z.; Osada, M.; Sasaki, T. Adv. Mater. 2006, 18, 2226. doi: 10.1002/adma.200502604

    46. [46]

      Takada, K. Langmuir 2013, 29, 7538. doi: 10.1021/la3045253

    47. [47]

      Liang, J. Y.; Zeng, X. X.; Zhang, X. D.; Wang, P. F.; Ma, J. Y.; Yin, Y. X.; Wu, X. W.; Guo, Y. G.; Wan, L. J. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6767. doi: 10.1021/jacs.8b03319

    48. [48]

      Liang, J. Y.; Zeng, X. X.; Zhang, X. D.; Zuo, T. T.; Yan, M.; Yin, Y. X.; Shi, J. L.; Wu, X. W.; Guo, Y. G.; Wan, L. J. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 9165. doi: 10.1021/jacs.9b03517

    49. [49]

      Yan, H. F.; Voorhees, P. W.; Xin, H. L. L. MRS Bull. 2020, 45, 264. doi: 10.1557/mrs.2020.90

    50. [50]

      Hovden, R.; Muller, D. A. MRS Bull. 2020, 45, 298. doi: 10.1557/mrs.2020.87

    51. [51]

      Yu, Z. J.; Wang, J. J.; Wang, L. G.; Xie, Y.; Lou, S. F.; Jiang, Z. X.; Ren, Y.; Lee, S.; Zuo, P. J.; Huo, H.; et al. ACS Energy Lett. 2019, 4, 2007. doi: 10.1021/acsenergylett.9b01347

    52. [52]

      Yu, Z. J.; Wang, J. J.; Liu, Y. J. MRS Bull. 2020, 45, 283. doi: 10.1557/mrs.2020.86

    53. [53]

      Brissot, C.; Rosso, M.; Chazalviel, J. N.; Baudry, P.; Lascaud, S. Electrochim. Acta 1998, 43, 1569. doi: 10.1016/S0013-4686(97)10055-X

    54. [54]

      Ren, Y. Y.; Shen, Y.; Lin, Y. H.; Nan, C. W. Electrochem. Commun. 2015, 57, 27. doi: 10.1016/j.elecom.2015.05.001

    55. [55]

      Golozar, M.; Hovington, P.; Paolella, A.; Bessette, S.; Lagace, M.; Bouchard, P.; Demers, H.; Gauvin, R.; Zaghib, K. Nano Lett. 2018, 18, 7583. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b03148

    56. [56]

      Harry, K. J.; Hallinan, D. T.; Parkinson, D. Y.; MacDowell, A. A.; Balsara, N. P. Nat. Mater. 2014, 13, 69. doi: 10.1038/NMAT3793

    57. [57]

      Gittleson, F. S.; El Gabaly, F. Nano Lett. 2017, 17, 6974. doi: 10.1021/acs.nanolett.7b03498

    58. [58]

      Zarabian, M.; Bartolini, M.; Pereira-Almao, P.; Thangadurai, V. J. Electrochem. Soc. 2017, 164, A1133. doi: 10.1149/2.0621706jes

    59. [59]

      Park, K.; Yu, B. C.; Jung, J. W.; Li, Y. T.; Zhou, W. D.; Gao, H. C.; Son, S.; Goodenough, J. B. Chem. Mater. 2016, 28, 8051. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b03870

    60. [60]

      Hovington, P.; Lagace, M.; Guerfi, A.; Bouchard, P.; Manger, A.; Julien, C. M.; Armand, M.; Zaghib, K. Nano Lett. 2015, 15, 2671. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b00326

    61. [61]

      Wang, Z. Y.; Santhanagopalan, D.; Zhang, W.; Wang, F.; Xin, H. L. L.; He, K.; Li, J. C.; Dudney, N.; Meng, Y. S. Nano Lett. 2016, 16, 3760. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b01119

    62. [62]

      Sun, N.; Liu, Q. S.; Cao, Y.; Lou, S. F.; Ge, M. Y.; Xiao, X. H.; Lee, W. K.; Gao, Y. Z.; Yin, G. P.; Wang, J. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 18647. doi: 10.1002/anie.201910993

    63. [63]

      Nakayama, M.; Wada, S.; Kuroki, S.; Nogami, M. Energy Environ. Sci. 2010, 3, 1995. doi: 10.1039/c0ee00266f

    64. [64]

      Auvergniot, J.; Cassel, A.; Ledeuil, J. B.; Viallet, V.; Seznec, V.; Dedryvere, R. Chem. Mater. 2017, 29, 3883. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b04990

    65. [65]

      Zhang, F.; Lou, S. F.; Li, S.; Yu, Z. J.; Liu, Q. S.; Dai, A.; Cao, C. T.; Toney, M. F.; Ge, M. Y.; Wang, J. J.; et al. Nat. Commun. 2020, 11, 3050. doi: 10.1038/s41467-020-16824-2

    66. [66]

      Besli, M. M.; Xia, S. H.; Kuppan, S.; Huang, Y. Q.; Metzger, M.; Shukla, A. K.; Schneider, G.; Hellstrom, S.; Christensen, J.; Doeff, M. M.; et al. Chem. Mater. 2019, 31, 491. doi: 10.1021/acs.chemmater.8b04418

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  50
  • HTML全文浏览量:  10
文章相关
  • 发布日期:  2021-11-15
  • 收稿日期:  2020-07-25
  • 接受日期:  2020-08-20
  • 修回日期:  2020-08-17
  • 网络出版日期:  2020-08-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章