韩国科学技术研究院探讨全固态电池退化机制

盖世汽车讯 许多制造商将全固态电池视为下一代电池。与使用液体电解质的锂离子电池不同，全固态电池中的所有组件（包括电解质、阳极和阴极）都是固体，可以降低爆炸风险，有望广泛应用于汽车和储能系统（ESS）等市场。然而，为了维持全固态电池稳定运行所需的高压（数十兆帕），需要使用一些装置，由此可能降低电池的性能（如能量密度和容量）。

【图1】低压运行时全固态电池阴极的体积变化对比（图片来源：韩国科学技术研究院）

据外媒报道，韩国科学技术研究院（KIST）储能研究中心的Hun-Gi Jung博士及其团队新发现了一些退化因素，当全固态电池在类似于锂离子电池的压力下运行时，这些因素可能导致容量迅速退化并缩短电池寿命。与以往研究不同，研究人员首次证实阴极内部和外部均可能发生退化，表明未来即使在低压环境下全固态电池也能够可靠地运行。

在全固态电池中，阴极和阳极在反复充放电过程中会发生体积变化，导致活性材料与固体电解质之间发生界面降解，如副反应和接触损耗等，从而增加界面电阻并使电池性能退化。解决这个问题需要利用外部装置来维持高压，但是电池的重量和体积增加会导致能量密度降低。最近，研究人员对全固态电芯的内部进行研究，以确保即使在低压环境下也能保持电芯性能。

【图2】低压运行时全固态电池的阴极退化示意图（图片来源：韩国科学技术研究院）

该团队在0.3 MPa的低压环境下（类似于锂离子纽扣电池）反复运行全固态纽扣电池（使用硫化物基固体电解质），以分析电池性能退化的原因。经过50次充放电循环，NCM阴极层的体积膨胀了约两倍。横截面图像分析证实，阴极活性材料和固体电解质之间出现了严重的裂纹。这表明除了界面接触损耗，在低压运行过程中，阴极材料的破裂和不可逆的阴极相变也是性能退化的原因。

研究人员利用同位素（6 Li）替换阴极中的锂，以将其与固体电解质中存在的锂区分开来。然后，该团队首次采用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS），以识别阴极中的锂消耗导致电芯整体容量降低的机制。在反复的充放电循环过程中，固体电解质的分解产物硫注入阴极材料的裂纹中，从而形成不导电的副产物硫化锂。这会耗尽活性锂离子并促进阴极相变，从而降低全固态电池的容量。

这些分析方法有助于明确全固态电池在低压运行环境下退化的原因，为解决其与传统锂离子电池相比循环性能较差的问题提供了线索。如果能够解决这个问题，预计全固态电池的外部辅助装置可以去除，从而提高经济效益。

KIST的Hun-Gi Jung表示：“对于全固态电池的商业化而言，开发新型阴极和阳极材料，使其可以在无压或低压环境（而不是目前的加压环境）下运行，具有重要意义。当将低压运行全固态电池用于电动汽车等大、中规模应用时，预计可以充分利用现有的锂离子电池制造设施。”