全固態鋰電池能量密度提升有限，研究呼籲探索混合電解質方案

一項最新研究指出，使用石榴石型固態電解質的鋰金屬電池，其預期的能量密度優勢可能被過度誇大。研究顯示，採用鋰鑭鋯氧化物（LLZO）的全固態鋰金屬電池（ASSLMB），其重量能量密度僅為272 Wh/kg，與現有鋰離子電池的250-270 Wh/kg相比，提升幅度相當有限。考慮到LLZO的高生產成本和製造難度，研究建議複合或準固態電解質可能是更可行的替代方案。這項研究發表在《能源儲存材料》期刊上。

「全固態鋰金屬電池一直被視為能源儲存的未來，但我們的研究顯示，基於LLZO的設計可能無法提供預期的能量密度躍升，」該研究的主要作者、東北大學WPI-AIMR研究員Eric Jianfeng Cheng表示。「即使在理想條件下，能量密度的提升仍然有限，而成本和製造挑戰卻相當顯著。」

固態鋰金屬電池因其在安全性和能量效能方面的潛力，被認為是極具前景的下一代技術。LLZO作為固態電解質的主要候選材料，因其穩定性和離子導電性而備受青睞。然而，對基於LLZO的實際軟包電池進行詳細建模後，研究發現這種材料並未顯著提升能量密度。即使使用超薄的25微米LLZO陶瓷隔膜和高容量正極，電池的效能僅略優於最佳傳統鋰離子電池。

研究特別指出，LLZO的密度增加了電池的整體質量，從而降低了預期的能量效益。雖然體積能量密度達到約823 Wh/L，但LLZO的額外重量和成本阻礙了其實用性。此外，材料的脆性、無缺陷薄片的製造難度，以及介面處鋰枝晶和空隙的問題，進一步增加了大規模應用的複雜性。

「從穩定性的角度來看，LLZO是一種優秀的材料，但其機械限制和重量問題對商業化造成了嚴重障礙，」Cheng解釋道。

作為替代方案，研究人員正在探索將LLZO與其他材料結合的混合方法。其中一種有前景的策略是LLZO-聚合物複合電解質，這種材料在保持高離子導電性的同時，還能提高靈活性和可製造性。另一種方法是準固態LLZO電解質，其中加入少量液態電解質以增強離子傳輸和結構完整性。這些混合設計已展現出更好的長期穩定性。

「我們需要重新思考，而不是一味追求全陶瓷固態電池，」Cheng表示。「透過將LLZO與聚合物或凝膠基電解質結合，我們可以提高可製造性、減輕重量，同時保持高效能。」

這項研究由東北大學、上海交通大學、麻省理工學院、威斯康辛大學麥迪遜分校、約翰霍普金斯大學和聖安德魯斯大學的研究人員共同完成。研究強調了全陶瓷固態電池的侷限性，並呼籲開發能夠平衡能量效能、可製造性和成本的實用工程解決方案。