固态锂电池：双极设计、制备及电化学综述

作者与文章信息

本综述文章题为《Solid-State Lithium Batteries: Bipolar Design, Fabrication, and Electrochemistry》，由 Kyu-Nam Jung、Hyun-Seop Shin、Min-Sik Park 以及 Jong-Won Lee 等人撰写，发表于期刊 *ChemElectroChem*，发表时间为 2019 年（DOI: 10.1002/celc.201900736）。文章作者分别来自韩国能源研究院（Korea Institute of Energy Research）、庆熙大学（Kyung Hee University）和朝鲜大学（Chosun University）。

文章主题与背景

随着社会向可持续清洁能源转型，对大规模能量储存技术的需求不断增加。在此背景下，固态锂电池（Solid-State Lithium Batteries, SSLBs）作为一种新型的储能技术，因其较传统锂离子电池（LIBs）的安全性优势、能量和功率密度的提升，以及潜在的成本效益，引起了广泛关注。与液态锂电池不同，SSLBs 使用不可燃或低可燃性的固体电解质（Solid Electrolytes, SEs），避免了电解液泄漏及相关的火灾危险。同时，基于“双极设计”（Bipolar Design）的革新性电池架构在进一步提升性能、减轻重量和降低系统复杂性方面展现出巨大潜力。

本综述系统归纳了 SSLBs 的双极设计架构及其主要技术优势，并着重探讨了固态电解质、复合电极、双极板及相关制造技术的研发进展，旨在为开发下一代锂电池提供全面的参考。

主要内容与观点

双极电池架构的概述及优势

1. 架构特点
   传统锂离子电池采用单极设计（Monopolar Design），通过外部线路将单体电池串联，电子路径较长，存在电阻损失大、能量密度低的问题。而双极设计省去了外部串联线路，通过双极板直接连接相邻单元电池，形成高效的电子流动通道。每块双极板同时充当正负极集流体，与传统包封式电池相比，双极设计元件更少且更紧凑。

2. 性能提升
   双极设计不仅有效降低了模块中的电阻损耗，还能显著简化整体电池堆叠结构，减少体积与重量。此外，通过优化电子路径，双极 SSLBs 展现出更高的功率密度，同时提供更大的整体输出电压。

3. 制造成本与能量密度提升
   双极设计消除了对外部电气连接和独立单元封装的需求，减少了诸多被动组件，从而降低了制造成本并提升了模块的体积能量密度。

固态电解质研究进展

固态锂电池的性能极大程度上取决于固态电解质的性能。本综述对四种主要类型的电解质进行了分析：

1. 聚合物基固态电解质
   常用的聚合物基电解质包括聚氧化乙烯（PEO）及其衍生物。虽然其具有较好的柔韧性和可塑性，但其 Li+ 电导率在室温下表现较低（10⁻⁸ 到 10⁻⁴ S/cm）。当前改进方法包括添加塑化剂、纳米填料或设计嵌段共聚物以降低晶相比例，增强 Li+ 迁移率。

2. 硫化物固态电解质
   硫化物类材料（如 Li₇PS₆、Li₇P₃S₁₁ 和 Li₁₀GeP₂S₁₂）因其高室温离子电导率（> 10⁻³ S/cm）而备受期待，同时具有较宽的电化学窗口。但这类材料易受水分影响，暴露在潮湿环境中会释放有毒气体 H₂S，需要进一步提升其湿气稳定性。

3. 氧化物固态电解质
   Na 超离子导体（NASICON）结构和石榴石型（Garnet-type）氧化物（如 LLZO）具有优异的化学稳定性及机械强度，同时也表现出较高的 Li+ 电导率（~10⁻³ S/cm）。然而，其与金属锂兼容性差，容易出现界面阻抗和枝晶问题。

4. 混合型固态电解质
   混合型固态电解质结合了不同材料的优点（如聚合物、氧化物和离子液体），兼具机械柔韧性和高 Li+ 迁移率。研究表明，纳米结构氧化物与离子液体结合的混合物能够提供 > 10⁻³ S/cm 的离子电导率，且化学稳定性较强。

双极 SSLBs 的制备及进展

1. 层叠工艺与自支撑固态电解质
   使用独立固态电解质片的层叠工艺是当前研究的主流之一。例如，通过冷压工艺将硫化物型 Li₃PS₄ 电解质和复合电极组装为双极电池堆叠结构并实现高电池容量。

2. 印刷型固态电解质
   打印工艺因其简便、低成本且可扩展的特点，逐渐成为另一种创新性制备 SSLBs 的方法。通过将电解质浆料逐层喷涂在双极板上，可以实现复杂形态的模块化组装。例如，研究人员成功设计了一种含有氧化锂锆颗粒（LLZO）与聚合物的混合电解质，其厚度仅 ~3 μm，显著减少了离子迁移路径，提升了电池性能。

3. 准固态电解质的应用
   利用准固态电解质（如含锂离子液体的纳米球复合材料），可以在一定程度上兼顾固态系统的安全性和液态系统的高导电性。这类电解质在多层双极电池堆叠中表现出优异的界面兼容性和稳定性。

双极板的设计与技术挑战

作为双极电池的结构核心，双极板（Bipolar Plate, BP）需要具备高导电性、电化学稳定性及机械强度。然而，目前常见材料（如铝、铜及不锈钢）的腐蚀敏感性可能限制其应用。复合金属及薄膜技术（如电镀和化学气相沉积）、导电聚合物以及碳基材料（如石墨烯）的应用为双极板设计提供了更多可能性。

未来展望与意义

综述指出，双极 SSLBs 的开发尚处于早期阶段，以下是未来研究的关键方向： 1. 开发高离子导电率和宽电化学窗口的电解质材料，同时优化电极结构及界面工程技术； 2. 研究耐腐蚀、重量轻的双极板材料和先进设计； 3. 通过计算模拟优化模块化双极设计以适用于大规模储能系统； 4. 推动自动化制备技术以提升精度、速度和生产效率。

作为安全性与性能兼具的潜在解决方案，双极 SSLB 技术为未来的能源储存系统提供了全新的可能性。综述文章为研究该领域的学者提供了全面的技术指导和研究路径。