手機的移動互聯網革命之后，電動汽車是又一場硬科技革命。所謂硬件革命者，必定是改變億萬人的生活。它讓用戶在居住的地方補充能源，在停車的地方補充能源，把能源供給地點從加油站變成無所不在。

它讓附加在燃油費中的養路費收無可收，必將改變稅收方式。

它讓從事客貨運輸行業的能源成本降低到原來的20%。要知道內燃機熱效率提高1-2個百分點都是重要進展。

然而當前主流的液態電解質鋰電池在安全性上存在固有缺陷，外力沖擊或者熱失控情況下會釋放可燃氣體，對于使用者構成安全威脅。當前的能量密度還做不到一次充電行駛超過600千米。

固態電池在安全性和能量密度上都遠遠高于液態鋰電池。本文介紹喬治亞理工學院關于固態電池的化學和力學的技術綜述。重點關注三個重要現象：

(i)鋰絲通過固態電解質生長

(ii)化學不穩定界面處的結構和機械演化

(iii)固態復合電極內的化學機械效應

近年來，由于發現了各種具有高離子電導率的有前途的 SSE 材料，加速了 SSB 的發展。然而，一個重要的障礙在于如何將 SSE 與電池的其他組件集成在一起。具體而言，SSE 和電極材料之間的界面提出了以不同方式表現出來的科學和工程挑戰。?在一些與鋰陽極配對的 SSE 材料中，已觀察到鋰金屬在電沉積過程中以機械方式穿透 Li/SSE 界面并延伸穿過大部分 SSE，導致短路和電池故障。此外，許多 Li/SSE 界面在熱力學上不穩定，在接觸和電化學操作時會自然發生結構和化學變化，從而改變離子傳輸特性和機械完整性。最后，固態復合電極SSE 基質中活性材料顆粒的致密混合物在界面處表現出復雜的化學力學，其中即使是由于離子插入/移除而導致的活性材料中的小應變也可以通過界面傳輸以機械損壞 SSE 并抑制離子傳輸。

這些不同現象背后的統一特征是固態界面的化學演化和機械效應之間的耦合。只要（電）化學變化（例如鋰金屬電沉積或離子插入）在界面處引起機械應力，就會出現這種耦合。一般來說，與傳統的液體電解質電池相比，化學機械現象在固態系統中表現得更明顯。這是因為應力和應變可以在固態系統中更有效地傳遞，而傳統電池中的液體電解質不能承受剪切應力或應變，因此可以減輕電化學引起的應變。人們剛剛開始了解電池運行期間界面處化學和機械演化的耦合及其對電化學穩定性的影響。在許多情況下，原位和動態表征對于的演變至關重要，因為掩埋固態界面的動態變化很難用非原位技術探測。此外，建模在預測 SSB 界面的化學性質和機械效應方面發揮了重要作用。這篇綜述介紹了理解SSB 界面化學和力學之間聯系的最新進展，特別關注上面強調的三種現象。

盡管付出了很多努力，但在實際 SSB 操作所需的電流密度下防止短路方面僅取得了一定的成功。然而，原位和動態表征對于理解鋰絲生長的基本機制已經很重要，并且它們可能在確定界面處的耦合化學和機械現象如何控制 SSE 中的金屬絲生長方面發揮關鍵作用。這些知識對于指導未來幾年高能 SSB 的進一步發展非常重要。

盡管我們對 Li/SSE 界面的組成和結構如何變化有了更好的理解，但將化學和電化學反應過程與機械降解聯系起來的努力仍然有限。然而，最近的工作探索了 NASICON 結構的 LAGP 材料中相間形成和機械降解之間的關系。LAGP（電）化學反應與鋰形成界面區域，該區域具有膨脹的體積，從而對下面的 LAGP 施加拉伸應力。相間的混合導電性質允許連續生長，在 LAGP 內產生足夠的應力以引起斷裂。一個重要的觀察結果是，電化學循環導致界面的空間分布高度不均勻，并深入到 LAGP 的內部。反應相的不均勻形態會產生應力集中，從而加速 LAGP 降解和斷裂的發生。通過將原位X 射線層析成像與電化學循環相結合，LAGP 內的宏觀化學機械斷裂被繪制出來并與電化學行為和相間生長相關聯。這項研究表明，斷裂過程是導致這種材料電化學降解的主要原因，而不是相間生長本身。從作為主要失效機制（如 LLZO 或 LPS）的燈絲驅動短路到由相間生長驅動的機械斷裂的轉變表明，Li/SSE 界面的化學穩定性在確定 SSE 失效機制中起著關鍵作用。

創建保護層，通過阻止電子傳輸和 Li 原子的擴散來防止連續的界面形成，同時仍然允許 Li+傳輸，是控制界面演變的可行途徑。穩定的界面可以通過使用與鋰反應形成由鈍化成分組成的人工界面的材料來實現。最近的研究表明，某些氮化物材料可以與鋰反應形成穩定的 Li +傳輸相，但需要實驗來確認這些熱力學預期產品的形成。穩定的界面也可以使用對鋰穩定但具有固有的低電子傳導性的材料來創建。聚合物通常用于穩定反應界面，部分原因是它們能夠阻止電子傳輸。然而，對鋰金屬穩定且電絕緣的材料在室溫下通常是不良的離子導體，這可能會限制它們在較高電流下的性能。

需要進一步的工作來對不穩定的 SSE 界面進行全面的化學機械理解。雖然已經表明相間生長與 LAGP 中的機械退化有關，但了解其他 SSE 中相間形成的動力學及其與機械效應的關系是必要的。在沉積/剝離過程中界面附近鋰金屬形態的演變也需要研究。使用原位表征技術（例如顯微鏡或層析成像）可以深入了解不同的電化學循環條件如何影響界面的生長。這種動態表征也可以與連續介質力學建模相結合，以了解應力的演變及其對離子傳輸的影響。了解自然鈍化Li/SSE界面的化學和結構也很重要，因為穩定界面的特性可以為創建人工保護層提供線索。

結束語

固態界面的理解和控制已成為 SSB 技術發展中的重大科學挑戰。從根本上說，化學/結構演化與機械變形之間的關系在此類界面的穩定性中起著關鍵作用。Li/SSE 界面處的電沉積會導致 SSE 內鋰金屬絲的生長，這與斷裂等機械損傷有關。然而，當 Li/SSE 界面化學不穩定時，通過 SSE 的（電）化學還原形成界面也會導致顯著的機械降解。在復合電極中，由于剛性 SSE 無法適應循環過程中電極顆粒的電化學誘導變形，因此可能會出現界面處的機械不穩定性。

識別和防止各種混合 SSE 膜中的失效機制將是 SSB 商業化的重要一步。

懸而未決的問題

我們如何控制和減輕固態電池內的化學不穩定性？

界面處的化學轉化如何與機械退化相關聯？

在電池運行期間，哪些基本特性通過固態電解質控制鋰金屬絲的生長？

Li/SSE 界面的化學穩定性和形態演化在確定固態電池的失效機制中起什么作用？

我們能否設計具有活性材料的固態復合電極，在離子插入/提取過程中承受電化學應變，而不會在活性材料/固體電解質界面處造成機械失效？

哪些新的原位和動態表征實驗技術可用于了解固態電池內材料和界面的結構、化學和形態演化？

編輯：黃飛