《自然能源》：新的研究密切关注能量储存

诸平

JLU doctoral candidate Laura Goodwin with a solid-state cell on a laboratory scale. © JLU/Rolf K. Wegst

据德国明斯特大学(University of Münster)2023年2月23日提供的消息（New study takes close look at energy storage），来自德国吉森（Giessen, Germany）和德国明斯特（Münster, Germany）的研究人员合作，2023年2月23日在《自然能源》（Nature Energy）杂志网站发表他们对固态电池发展前景详细分析的综述研究，将电化学储能装置和固态电池的开发纳入了世界范围内大部分工作的材料科学领域。详见Jürgen Janek, Wolfgang G. Zeier. Challenges in speeding up solid-state battery development. Nature Energy (Review Article), 2023. DOI: 10.1038/s41560-023-01208-9. Published: 23 February 2023. https://www.nature.com/articles/s41560-023-01208-9

电化学储能装置的研究及其发展是材料科学领域中世界范围内进行研究最多的领域之一。大量应用对高性能电池的需求迅速增长，导致人们对可实现的充电容量和速度越来越感兴趣。同样，人们也更加关注物质资源的寿命、安全性和可用性，以及碳足迹。正是在这样的背景下，来自德国吉森的贾斯特斯·李比希大学(Justus Liebig University, Giessen, Germany)、德国埃根斯泰因-莱奥波尔茨哈芬的卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology, Eggenstein-Leopoldshafen, Germany）的化学家尤尔根·雅内克（Jürgen Janek）教授和来自明斯特大学(University of Münster, Germany)、德国明斯特于利希研究中心能源和气候研究院(IEK)-12明斯特亥姆霍兹研究所{ Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-12 Helmholtz-Institut Münster, Forschungszentrum Jülich, Münster, Germany}的沃尔夫冈·蔡尔（Wolfgang Zeier）教授，仔细研究了过去十年在固态电池领域的发展。为此，研究人员分析了该技术的现状，批判性地考虑了挑战和尚未解决的问题，这些挑战和问题需要解决，才能使固态电池更具竞争力。这项对该项技术的批判性评估已作为评论文章发表在最新一期的《自然能源》杂志上。

固态电池是锂离子电池的进一步发展，目前锂离子电池的功能是通过液态有机电解质实现的。其目标是在固态电池中使用固体电解质，有望获得更好的存储性能、更长的使用寿命和更高的安全性。到目前为止，固体电池的发展已经在世界范围内进行了大约十年的密集研究工作。

“越来越清楚的是，今天的固态电池概念包含了许多变化，但目前还无法完全预测其成功与否。”尤尔根·雅内克总结了开发的现状。研究人员得出的一个结论是，尽管研究机构和工业公司开展了广泛的活动，但在现有的锂离子技术和液态电解质方面还没有取得可衡量的进展。在分析中，他们提到了许多方面的挑战，这些都是决定性的挑战。一个关键点是开发固体电解质，这种电解质可以确保电池性能和安全性更高，同时尽可能降低锂的浓度。此外，需要最大容量的阳极材料，以使电池具有更小的体积和重量。总的来说，研究人员表示，通过理论和实验相结合的新方法在材料研究中是必要的，尤其是通过尽可能多的不同学科之间的合作。“我们持乐观态度，”沃尔夫冈·蔡尔说。毫无疑问，固态电池将会进入商业化阶段，问题是何时以及达到何种程度。

早在2016年，当时都在德国吉森的贾斯特斯·李比希大学（Justus Liebig University, Giessen, Germany）的尤尔根·雅内克和沃尔夫冈·蔡尔也分析过固态电池的前景，并在《自然能源》(Nature Energy)上发表了他们的研究结果——Jürgen Janek, Wolfgang G. Zeier. A solid future for battery development. Nature Energy, Published: 08 September 2016. Volume 1, Article number: 16141. DOI:10.1038/nenergy.2016.141. https://www.nature.com/articles/nenergy2016141

此后，这篇文章被引用了2000多次，对这一研究领域产生了决定性的影响。7年过后，两位作者在同一期刊上发表的最新一篇更为全面的文章中更新了他们的分析。

在2016年的早期分析中，有许多基本问题仍未得到解答，而且在很大程度上尚未得到解决，但这次有一些其他因素在其中发挥了作用——一方面是技术的实施，另一方面是物质资源和成本等重要问题。两位作者是物理化学和无机化学材料研究领域的国际顶尖科学家。自1999年以来，尤尔根·雅内克是吉森大学固体电化学工作小组的负责人。他还是材料研究中心的负责人，也是卡尔斯鲁厄理工学院电池与电化学实验室（Batteries and Electrochemistry Laboratory简称BELLA；BELLA laboratory at the Karlsruhe Institute of Technology）的两位科学总监之一。他是利奥波迪纳国家科学院（Leopoldina National Academy of Sciences）的成员，由于他的成就，他最近被代尔夫特技术大学（Technical University of Delft）授予荣誉博士学位，并首次获得由利奥波迪纳颁发的格雷夫奖（Greve Prize）。沃尔夫冈·蔡尔是德国明斯特大学无机固体化学教授，也是德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的明斯特亥姆霍兹研究所{ Helmholtz Institute Münster (HI MS; IEK-12) }的固体离子导体设计部门负责人{ Design of Solid Ionic Conductors department at Helmholtz Institute Münster (HI MS; IEK-12) of Forschungszentrum Jülich}。他的团队在固体离子导体和固态电池方面的研究获得了许多奖项，其中包括最近获得的国际电池协会（International Battery Association）颁发的奖项。

本研究得到了德国联邦教育和研究部的资助{ Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF; projects 03XP0431, 03XP0430A, 03XP0430F)}。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Prof. Wolfgang Zeier at University of Münster

Research focus "Battery research" at University of Münster

Abstract

Recent worldwide efforts to establish solid-state batteries as a potentially safe and stable high-energy and high-rate electrochemical storage technology still face issues with long-term performance, specific power and economic viability. Here, we review key challenges that still involve the need for fast-conducting solid electrolytes to provide sufficient transport in composite cathodes. In addition, we show that high-performance anodes together with protection concepts are paramount to establish dense high-energy solid-state batteries and that lithium-based solid-state batteries as well as metal anodes may not be the ultimate solution. We further discuss that diversity in terms of materials, research teams and approaches is key to establish long-term solid-state batteries. About ten years after the first ground-breaking publication of lithium solid electrolytes with an ionic conductivity higher than that of liquid electrolytes, it is time to realistically address the remaining key challenges for full-scale commercialization, cell performance and implementation.