基于锂金属负极，硫化电解质和层状三元氧化物正极的全固态电池现状和未来方向全固态电池作为具有更高能量密度，更宽的工作温度范围，以及更高安全性的下一代储能技术，在电动汽车应用方面具有广阔的前景。特别是采用锂金属负极（Li），基于硫化物的固态电解质（SSE）和富镍层状过渡金属氧化物正极（LiMO2（M = Ni，Mn，Co，Al），与其他固体电解质体系相比，因其优越的电化学性能，前途不可估量。然而，对于此类电池在高正极载量和高电流密度下的失效机制依然不够明确。例如在负极和电解质间锂枝晶中生长导致的电池失效，在正负极侧的电解质分解和界面空隙导致的电池容量衰退。本综述介绍了Li-SSE-LiMO2体系固态电池中的各个组件存在的挑战以及最新的研究进展。本文着重于概括先进测试方法对此体系基本组件的表征，特别是传统方法难以触及的，埋于观察表面之下反应界面的检测。最后，为未来固态电池领域的研究提供了展望。我们希望本综述能及时概述全固态电池的最新研究进展，以加快其的全面发展。近日，来自休斯顿大学的樊征教授和姚彦教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Current Status and Future Directions of All-Solid-State Batteries with Lithium Metal Anodes, Sulfide Electrolytes, and Layered Ternary Oxide Cathodes”的综述文章。该观点文章分析了现在常用的硫化物固态电解质与电池各个组件（正极、负极、固态电解质）之间界面的不稳定性，同时汇总了近期在研究此类界面不稳定性问题上的进展。
金属锂负极由于其超高的比容量（3860 mA h g-1）和最低的氧化还原电位（-3.040 V）被认为是二次离子电池中理想的负极材料。金属锂负极对固态电解质的化学稳定性比液体基电解质好，这可以解决液态电池中存在的负面问题，例如锂枝晶形成引起的安全隐患。然而金属锂负极存在一些问题，例如在高电流密度（> 3 mAh cm-2）下塑性变形导致形成界面空隙。因此研究锂金属在电化学-化学机械效应下的行为，尤其是锂蠕变行为对电池循环的影响，对于控制锂负极的稳定性至关重要。金属锂与硫化物固态电解质界面问题主要是不可逆的电解质分解导致的高界面阻抗，循环中锂枝晶的渗透引发的机械失效，界面之间的不良接触导致裂纹和间隙产生。最近针对界面的研究主要集中于提高电解质的电化学和热力学稳定性，同时深入了解界面离子传导和界面反应性。研究表明在固态电解质和电极之间形成稳定的离子导电和电子绝缘界面对于控制化学机械行为十分重要。针对负极侧界面可以使用无锂合金负极（例如Ag-C）以实现均匀的锂沉积，通过形成合金降低锂金属的形核能同时隔离金属锂与电解质的直接接触；也可以引入具有离子导电和高界面能的复合材料（例如Li3N–LiF），以增强锂枝晶抑制能力同时降低锂剥离/沉积过电位。硫化物按照晶体结构大概可以分为玻璃态、玻璃陶瓷和晶态，因其高离子电导率被认为是非常有应用前景的电解质材料。然而硫化物电解质对湿气敏感、电化学窗口窄、机械稳定性差，阻碍了其实际应用。
原位技术对于揭示电解质导致的电池失效机制非常有效，例如原位中子深度分析（NDP）。NDP成像对于以无损方式研究轻元素（例如锂枝晶）特别有效，可以在电池循环过程中显示锂的时空分布。原位NDP实验揭示了电解质中锂枝晶中的成核和生长机制，结果表明电解质材料的高电子电导率有助于枝晶的形成。正极和硫化物界面主要存在机械和化学问题。在充放电过程中锂离子的脱嵌会引起正极颗粒的体积变化，从而在电解质上施加应力。一旦超过其应力承受力阈值，电解质就会沿着缺陷产生微裂纹或在界面处产生空隙，从而阻碍正极的锂离子传导路径并导致容量衰减。原位观察结合电化学阻抗分析表明电池循环初期正极颗粒的分层导致与电解质隔离，从而导致离子传导通道的断开引起容量持续衰减。电池首次充电中，电解质分解会形成中间层，中间层本身不稳定导致电化学降解引发界面微裂纹、缺陷和结构失配。为了解决上述问题，在正极颗粒表面包覆缓冲层材料是提高界面稳定性的有效方法。例如使用LiNbO3涂层来改善NMC正极材料与Li10GeP2S12固体电解质的界面稳定性和电化学性能。正极材料的放电平台容量决定了电池的能量密度，在固态电池中正极活性物质一般与电解质形成复合正极。两者之间相容性差会引起界面问题，正极本身如LiMO2三元正极材料也遭受缺陷，颗粒破裂和崩解等挑战。研究表明尺寸较小的正极颗粒有利于在正极与电解质界面形成更多接触，从而提供更好的离子传输路径。同时正极颗粒和电解质之间的尺寸比对于构筑渗流网络以优化离子传输和降低电阻至关重要。电池循环中正极颗粒的体积膨胀/收缩会破坏稳定的界面导致高界面阻抗。与锂离子迁移相关的电荷诱导的正极材料晶格塌陷会导致缺陷或微裂纹形成。随着这些结构缺陷的进一步传播，电解质颗粒会破裂和崩解。为了解决上述问题，可以在正极颗粒表面使用离子导电聚合物涂层。该缓冲层可以保护颗粒免受机械变化的影响，从而减少潜在的结构塌陷防止容量衰减。也可以混合具有相互增强的化学机械性能的正极颗粒（例如NMC和LiCoO2），以平衡正极复合材料上的应变，从而提高容量保持率和电压稳定性。此外，可以使用具有径向取向的二级颗粒或者单晶颗粒，从而适应体积变化。未来的工作应旨在设计具有更宽的电化学窗口（例如，卤化物元素的掺杂）的新型硫化物固态电解质，以及设计合适的界面缓冲层来抑制电解质分解并抑制锂枝晶生长。上述手段对于提升固态电池的倍率性能、能量密度和循环寿命至关重要。目前实验室组装固态电池基于压制成型的复合正极层，不利于大规模生产。未来可以发展溶液浇筑工艺以促进活性物质颗粒在浆料和复合正极层中的均匀分散，同时连续的湿法涂布工艺（例如卷对卷）有利于固态电池的大规模生产。先进的原位表征技术可以提供电池实际运行中内部演变的第一手资料，当前已经有许多无损技术（例如NDP，XRT和声学检测）进行原位电池分析。然而当前的技术有利于检测元素化学分布，但不适用于探测化学机械和形态演变机制。
未来可以发展能够观察电池断面的“开孔”装置，并进行原位表征，实现对于界面的多通道实时检测，从而提供有关形态变化、化学成分、机械性能以及电解质分解产物（包括可能在电池运行期间引起负面影响的中间产物）演变的最新信息。Current Status and Future Directions of All-Solid-State Batteries with Lithium Metal Anodes, Sulfide Electrolytes, and Layered Ternary Oxide Cathodeshttps:///10.1016/j.nanoen.2021.1060812009年硕士毕业于上海交通大学，博士毕业于密歇根州立大学电子与计算机工程系，随后在加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系从事博士后研究工作。2018年加入休斯顿大学，现为工程技术系助理教授。长期从事储能材料以及先进检测仪器的研究和开发。在Advanced Materials, Joule, Nature Nanotechnology, Nature Communication, Nano Letters, Carbon, Nanoscale等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文40余篇。美国休斯敦大学电子与计算机工程系讲席教授，英国皇家化学会会士，休斯敦大学能源存储微电网中心副主任和德州超导中心成员。曾获得海军青年科学家奖、科睿唯安“高被引科学家”、美国发明家家学院高级会员、工程学院讲席教授等奖励。课题组目前主要从事全固态电池、水系电池、多价离子电池等方面的研究。吴超善，2010和2013年于浙江工业大学分别本科和硕士毕业，现为休斯敦大学Cullen工程学院在读博士研究生，导师为樊征教授和姚彦教授。研究方向主要围绕全固态锂金属电池的制备工艺，界面修饰和原位表征，在Nano energy，Materials Today Physics等国际知名期刊上发表SCI 论文3篇。樊征教授课题组长期招收博士研究生以及博士后研究员，有储能材料合成与器件制备（固态电池、锂硫电池），以及电化学储能相关工作经验者优先考虑。
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