综述：固态锂金属电池概述：材料、性能与挑战

这篇综述全面探讨了固态锂金属电池（SSLMBs）的最新进展，重点介绍了不同固态电解质（SEs）材料（如氧化物/硫化物/聚合物）的理化特性、界面工程策略及产业化挑战，特别强调了高离子电导率（>10-3 S·cm-1）和锂枝晶抑制等关键技术突破。

　　

固态锂金属电池：材料、性能与挑战

1. 引言

随着数字化时代对高能量密度储能需求的激增，固态锂金属电池（SSLMBs）因其理论容量高达3860 mAh·g^-1的锂金属负极和固态电解质（SEs）的安全性优势成为研究热点。传统锂离子电池（LIBs）受限于液态电解质的泄漏、燃烧风险及锂枝晶问题，而SSLMBs通过固态电解质（如Li₇La₃Zr₂O₁₂、Li₁₀GeP₂S₁₂）可实现体积能量密度提升90%，并消除热失控风险。

2. 固态电解质材料

无机陶瓷电解质：

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  氧化物型（如LLZO）具有高化学稳定性，但需高温烧结（>1000°C），界面电阻较高。

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  硫化物型（如Li₃PS₄）室温电导率达10^-3 S·cm^-1，但对水分敏感。

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  卤化物型（如Li₃YCl₆）兼具高电压稳定性和冷压加工性。

聚合物电解质：

以聚环氧乙烷（PEO）为基体，通过添加LiTFSI盐或Ti_0.87O₂纳米片可将离子电导率提升42倍，但需在60°C以上运行。

复合电解质：

结合陶瓷填料（如LLZTO）与聚合物（PVDF-HFP）的“空间电荷层”效应，形成连续锂离子传输网络，室温电导率达0.73 mS·cm^-1。

3. 界面工程挑战

电极/电解质界面是性能瓶颈：

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  阴极界面：通过LiNbO₃包覆层抑制NMC811与硫化物电解质的副反应，使循环寿命延长至300次。

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  阳极界面：锂金属与SEs的接触损失可通过Ag-Sn合金夹层缓解，对称电池稳定性超6000小时。

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  人工SEI：氟化COF纳米片诱导均匀LiF沉积，将锂沉积过电位降至16 mV。

4. 制造与产业化

当前SSLMBs成本比LIBs高30%，主要因：

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  材料成本：LLZO电解质达2000/kg，而PEO基电解质仅1420/kg。

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  工艺革新：干法电极工艺可避免溶剂与SEs反应，但需解决电极厚度均一性（<50 μm）。

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  设备投资：35 GWh产能工厂需近300台蒸发镀锂设备，资本支出约$0.68亿。

5. 未来展望

突破方向包括：

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  高通量筛选：机器学习加速SEs组分优化，如Li_3.2P_0.8Sn_0.2S₄玻璃陶瓷的冷烧结工艺。

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  原位表征：中子断层扫描实时监测锂枝晶穿透路径。

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  系统设计：双极堆叠架构可将模块电压提升至800V，适配电动汽车快充需求。

SSLMBs的商业化仍需攻克材料、界面与成本的“三重壁垒”，但其在电动航空与电网储能中的潜力已清晰可见。