本文由Han Wang、Hanwen An、Hongmei Shan、Lei Zhao和Jiajun Wang等人撰写，分别来自哈尔滨工业大学化工与化学学院以及哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院。该文发表于《物理化学学报》（Acta Phys. -Chim. Sin.）2021年第37卷第11期，题为《全固态电池界面的研究进展》（Research Progress on Interfaces of All-Solid-State Batteries）。本文是一篇综述文章，旨在全面总结全固态电池界面问题的研究进展，探讨改善策略，并提出未来发展方向。
随着化石能源消耗引发的能源危机和环境问题日益严重，开发高能量密度、高安全性的电池成为当前研究的重点。锂离子电池因其高能量密度和环境友好等优势而受到广泛关注，但其安全性问题亟待解决。传统锂离子电池使用有机液体作为电解液，存在易燃、易腐蚀等问题，且锂枝晶的生长可能导致电池短路、电解液泄漏甚至燃烧。固态电池采用固态电解质代替有机电解液，从根本上解决了这些安全隐患，并且固态电解质与金属锂负极的搭配有望实现更高的能量密度。然而，固态电池的固-固界面问题，如接触面积小、阻抗增加等，成为制约其发展的瓶颈。本文详细总结了固态电池界面的挑战、改善策略以及表征方法，并对未来发展方向进行了展望。
固态电池的界面问题主要体现在正极/电解质界面、负极/电解质界面以及电解质晶粒之间的稳定性问题。具体挑战包括： - 物理机械稳定性：固态电解质和电极之间的物理机械稳定性不佳，导致界面处产生结构应力，影响电池的电化学性能。例如，石榴石型氧化物电解质虽然对锂金属相对稳定，但其高弹性模量导致与正极的界面接触面积较小，阻抗增加。 - 化学稳定性：电极和电解质之间的化学稳定性不佳，可能导致空间电荷层的形成、界面反应生成界面层以及元素的相互扩散。例如，硫化物电解质与氧化物正极之间形成的空间电荷层会导致界面电阻增加。 - 电化学稳定性：在高充放电倍率和工作电压下，界面的电化学稳定性较差，可能导致锂枝晶的生长和界面结构的不稳定。 - 热稳定性：固态电解质的热稳定性仍需改进，尤其是在高温下，电解质与正极材料接触后可能发生分解，引发热失控。
针对上述界面问题，研究者提出了多种改善策略： - 负极-电解质界面：通过提高界面润湿性、增大界面稳定性以及抑制锂枝晶的生长来改善负极/电解质的界面问题。例如，利用原子层沉积（ALD）技术在电解质表面沉积镁（Mg），形成Li-Mg合金负极，提高界面润湿性。 - 固态电解质：固态电解质的研究主要集中在提高离子电导率和稳定性。例如，通过添加陶瓷纳米填料制造复合聚合物电解质，显著提高了离子电导率。 - 正极/电解质界面：通过构筑紧密结合的固-固界面接触、引入缓冲层以及抑制空间电荷层的形成来改善正极/电解质的界面问题。例如，在正极材料表面包覆无定形的Li0.35La0.5Sr0.05TiO3（LLSTO）薄层，避免了正极与硫化物电解质的直接接触。
随着科技的发展，先进的表征技术为固态电池界面问题的研究提供了强有力的工具。常用的表征技术包括： - 锂枝晶表征：通过光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术，研究者能够直观地观测锂枝晶的生长行为。例如，利用原位扫描电子显微镜观测Li/LLZTO/Li半电池中锂枝晶的沉积行为。 - 空间电荷层表征：利用透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，研究者能够表征界面处的化学配位情况，揭示空间电荷层的形成机制。 - 元素扩散表征：通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDX）等技术，研究者能够直接观测到界面处的元素扩散现象。例如，LiCoO2与硫化物电解质Li2S-P2S5界面处的Co元素扩散。 - 界面反应表征：利用原位扫描电子显微镜（SEM）和同步辐射X射线纳米断层成像技术，研究者能够观测界面反应和结构变化。例如，LiCoO2/LiPON界面处结构无序的界面层的形成。
固态电池具有高安全性、高能量密度和长循环寿命等优势，是下一代能源存储设备的重要发展方向。然而，固态电池的界面问题仍面临诸多挑战，如界面稳定性、离子传输路径的争议等。未来研究应继续探索界面演变机制，开发新型电解质材料，并利用先进的表征技术深入理解界面问题的本质。随着研究的不断深入，全固态电池有望取代现有的液态锂离子电池，成为构建安全可靠能源存储方式的重要基石。
本文全面总结了全固态电池界面问题的研究进展，详细讨论了改善策略和表征技术，为固态电池的研究与开发提供了重要参考。本文不仅为学术界提供了系统的综述，还为产业界提供了技术指导，具有重要的科学价值和实际应用价值。