苏州大学王胜《JMCA》：低温固态金属电池失效机理与设计策略研究

文章标题：Failure Mechanisms and Design Strategies for Low-Temperature Solid-State Metal Batteries

第一作者：徐华健

通讯作者：王胜、宋晓攀

研究背景

固态金属电池（SSMBs）凭借高能量密度和安全性优势，被认为是下一代储能技术的理想选择。研究表明，这类电池在常温或高温条件下表现出优异的电化学性能，但在低温环境下却暴露出一系列关键问题：缓慢的动力学过程、电化学稳定性差、不可控的锂枝晶生长和机械失效，这些都严重影响了电池的效率和寿命。尽管存在低温挑战，这类电池在极端环境的应用潜力不可忽视——无论是太空低温区域、地球极寒地带，还是传统电池难以运行的寒冷环境，固态金属电池都能提供更可靠的保障。近日，苏州大学王胜老师联合南京大学宋晓攀老师在期刊Journal of Materials Chemistry A 上发表了题为“Failure Mechanisms and Design Strategies for Low-Temperature Solid-State Metal Batteries”的重要综述。研究团队深入探讨了低温条件下运行的SSMBs的失效机制，特别关注电化学失效、界面相关问题、动力学过程和机械失效并提出了旨在改进SSMBs低温性能的未来研究方向。

图文解读

• 低温固态金属电池的优点、应用、挑战及设计策略

固态金属电池（SSMBs）因其高理论能量密度和内在的安全优势，被视为下一代储能系统的最终选择。大量的实验和理论研究表明，SSMBs在中温和高温条件下表现出卓越的电化学性能。传统的锂离子电池在超低温（低于-40℃）下表现出显著的容量和功率输出下降，这大大限制了它们在欧洲杯线上买球 汽车、国防安全、太空探索和深海作业等高滚球体育 领域的应用。利用电解质材料的结构设计灵活性和优异的低温性能，低温固态金属电池成为极端条件下储能的有希望的替代方案。然而，向实际应用过渡的过程中，低温环境下出现的关键问题显著阻碍了其发展。这些问题包括电化学稳定性不足、锂枝晶的不受控形成、固体电解质界面的机械退化以及缓慢的动力学过程，这些都限制了电池系统的整体效率和耐久性。为应对这些挑战，创新性的设计策略应运而生(图1所示)。

图1. 低温固态金属电池的优点、应用、挑战及设计策略

• 低温下固态金属电池的失效机制

固态金属电池（SSMBs）在低温环境下存在几大关键问题，必须攻克这些难题才能保证其稳定工作: 电化学失效：固体电解质在低温下的离子导电能力较差，导致界面极化加剧，整体电池效率降低。具体来说，低温使得电解质的离子导电率显著下降，增加了界面阻抗，从而影响电池的电化学稳定性。锂枝晶生长：低温条件下，锂枝晶的问题更为严重。由于局部电流密度增加的可能性更高，锂沉积变得不均匀，锂枝晶更容易穿透固体电解质，造成电池短路，并迅速恶化电池性能。缓慢的动力学过程：低温会使反应速率减慢，影响活性材料的有效利用，损害电池的能量输出和循环稳定性。特别是在固体电解质和电极材料中，离子传输速度变慢，尤其在SEI层（固体电解质界面层），这限制了电池的充放电效率。机械失效：由于电极与固体电解质之间的热膨胀系数不匹配，在温度变化时会产生应力，可能导致分层或界面接触损失。这种不匹配会导致材料开裂或界面脱离，最终引起机械失效。这些问题共同作用，严重影响了固态金属电池在低温环境下的性能和可靠性。

图2. 低温下固态金属电池（SSMBs）失效机制的示意图。(a) 电化学稳定性差 (b) 不可控的锂生长 (c) 缓慢的动力学过程 (d) 机械失效

• 低温固态金属电池（SSMBs）的设计策略示意图

要实现固态金属电池（SSMBs）在低温环境下的高效稳定运行，需要从多个方面入手，重点解决以下四个关键问题：材料选择：开发适合低温环境的新型材料是核心。例如，使用离子电导率高、热稳定性好的固体电解质（如硫化物、氧化物或聚合物基电解质），同时优化电极材料，确保其在低温下仍能保持高效的电化学性能。界面优化：固体电解质与电极之间的界面问题是影响性能的关键。通过引入缓冲层、表面涂层或原位形成稳定的固体电解质中间相（SEI），可以减少界面阻抗，抑制副反应，提升锂离子传输效率。电池结构优化：优化电池结构有助于提升低温性能。例如，设计更好的热管理系统，确保电池在极端温度下保持内部温度稳定；同时改进电极和电解质的微观结构，增强接触紧密性，降低界面电阻，提高能量密度和循环寿命。制造工艺改进：先进的制造工艺是高性能电池的保障。开发新的材料合成技术，确保固体电解质和电极的高质量；同时改进组装工艺，使各组件之间接触更紧密，内阻更小。通过以上多方面的协同创新，固态金属电池的低温性能将得到显著提升，为欧洲杯线上买球 汽车、极地装备等领域的应用提供更可靠的能源支持。

图3. 低温固态金属电池（SSMBs）的设计策略示意图 (a) 材料选择 (b) 界面工程 (c) 电池结构优化 (d) 制造工艺改进

• 通过研发新型固态电解质提升低温环境下的离子电导率与电池性能

保持高离子电导率是支持电池低温操作的前提条件。与在零度以下温度会冻结的有机液体电解质不同，固体电解质在广泛的温度范围内保持固态，并且不会完全失去其离子传导功能。通过研发新型固态电解质(如硫化物基和石榴石型电解质，在提高离子电导率和缓解枝晶形成方面展现出了潜力。)可以提升低温环境下的离子电导率与电池性能。

图4. 通过研发新型固态电解质提升低温环境下的离子电导率与电池性能

• 通过优化固态电池的界面设计，可以减少界面电阻、增强界面稳定性并促进离子传导，从而显著提升电池性能。

在固态电池中，电极与电解质间的高界面电阻会限制电子和离子传输，影响电池性能。通过特殊涂层或界面改性等优化设计，可降低界面电阻，提升性能。界面的化学和机械稳定性对防止副反应、保持长期循环稳定非常重要。理想的界面能促进锂离子传导，避免阻碍离子移动，确保结构完整并延长电池寿命。

图5. 通过优化固态电池的界面设计，可以减少界面电阻、增强界面稳定性并促进离子传导，从而显著提升电池性能。

• 通过等离子体增强工艺实现的太阳能光热转换技术和提升热管理性能对电池结构进行优化

优化固态金属电池（SSMBs）的结构对于解决在低温环境下观察到的性能限制至关重要。在低温条件下，传统电池设计往往由于离子电导率降低、界面电阻增加以及固体电解质中间相（SEI）不稳定等因素，无法维持最佳的电化学性能。等离子体增强工艺能够在电池表面形成特殊的纳米结构或涂层，这些结构可以显著增加光吸收率，减少反射损失，从而提高太阳能到热能或电能的转换效率。通过精确控制纳米结构的设计，可以优化热量分布和散热路径，防止局部过热现象，保持电池工作在最佳温度范围内，从而提高整体系统效率。

图6.通过等离子体增强工艺实现的太阳能光热转换技术和提升热管理性能对电池结构进行优化

• 电池制造工艺的持续改进推动固态金属电池在低温条件下的性能提升

为了提升固态电池在低温条件下的性能，持续进行制造工艺的创新至关重要。先进工艺能优化界面设计，减少界面电阻并增强电极与电解质的稳定性，从而提高低温性能。新工艺还支持开发具有高离子导电率和良好低温稳定性的固态电解质，如通过纳米结构化或复合材料技术。此外，优化电极和电解质的微观结构可减少充放电过程中的应力损伤，确保长期循环稳定性。这些改进共同推动了固态电池在低温环境下的性能提升。

图7. 电池制造工艺的持续改进推动固态金属电池在低温条件下的性能提升

文章总结

尽管全固态电池（SSMBs）的研发取得了显著进展，但在低温下实现可靠性能仍然是一项艰巨的挑战。本综述全面分析了阻碍全固态电池在低温环境下运行的多方面失效机制，重点聚焦于四个关键领域：电化学失效、锂枝晶生长、机械失效以及缓慢的动力学过程。固态电解质在低温下较差的离子电导率加剧了界面极化，而锂枝晶由于不均匀沉积，对电池的安全性和使用寿命构成严重威胁。电极与电解质之间的热膨胀失配会导致机械失效，例如界面处的分层和接触不良。此外，低温下固有的缓慢动力学特性损害了电池的整体能量输出和循环稳定性。为应对这些挑战，创新性的设计策略应运而生，这些策略强调了优化电解质材料和界面的重要性。新型电解质成分，如硫化物基和石榴石型电解质，在提高离子电导率和缓解枝晶形成方面展现出了潜力。界面工程方法，包括使用人工固体电解质界面（SEI）和涂层技术，旨在稳定电解质/电极界面并防止机械性能退化。通过等离子体增强工艺实现的太阳能光热转换技术对电池结构进行优化，可将太阳光直接转化为热能，从而帮助电池在低温条件下保持稳定运行。此外，增材制造技术的整合为定制微观结构几何形状提供了途径，改善了热管理并增强了锂沉积/剥离的均匀性。

该文章由苏州大学未来科学与工程学院王胜老师团队完成，以“Failure Mechanisms and Design Strategies for Low-Temperature Solid-State Metal Batteries.”为题发表在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A 上。苏州大学电子信息学院研究生徐华健为论文第一作者，苏州大学本科生顾洋、范俊宇以及研究生刘锦成同学也对本工作提出了建议，苏州大学未来科学与工程学院王胜老师和南京大学宋晓攀老师为共同通讯作者。该工作的开展得到了南京大学陈坤基教授、徐骏教授、余林蔚教授、南京航空航天大学宋虎成教授、苏州大学孙斌老师的支持，受到江苏省青年基金、江苏省省卓越博士后项目基金的资助，在此一并表示衷心的感谢！

文章链接

Failure Mechanisms and Design Strategies for Low-Temperature Solid-State Metal Batteries.

Huajian Xu¹, Xiaopan Song^2*, Yang Gu³, Junyu Fan³, Jincheng Liu³, Sheng Wang^1,3*

Corresponding Author: Sheng Wang, Xiaopan Song

Journal of Materials Chemistry A, DOI: 10.1039/D4TA07644C(2025)

前期相关工作：

1. 1. Xiaopan Song¹, Yang Gu², Sheng Wang²*, Junyu Fan², Junyang An¹, Lei Yan¹, Bin Sun², Junzhuan Wang¹, Linwei Yu¹*. Scalable integration of high sensitivity strain sensors based on silicon nanowire spring array directly grown on flexible polyimide films. Nano Letters, DO1: Nano letters. 10.1021/acs.nanolett.4c05553 (2025).
   2. Xiaopan Song¹, Yang Gu², Sheng Wang²*, Junzhuan Wang¹, Linwei Yu¹*. Nanowire - Based Flexible Sensors for Wearable Electronics, Brain-Computer Interfaces, and Artificia Skins. Electron, Article DOI:10.1002/elt2.77 (2025).

• Sheng Wang, Ke Xu, Hucheng Song*, Ting Zhu, Zhiqian Yu, Xiaopan Song, Dongke Li, Linwei Yu, Jun Xu*, Kunji Chen. A High-Energy Long-Cycling Solid-State Lithium Metal Battery Operating at High Temperatures, Advanced Energy Materials, 2022, 12(38): 2201866.

1. Sheng Wang, Hucheng Song*, Xiaoying Song, Ting Zhu, Yipeng Ye, Jiaming Chen, Guozhi Hou, Linwei Yu, Jun Xu*, Kunji Chen. An extra-wide temperature all-solid-state     lithium-metal battery operating from -73 ℃ to 120 ℃, Energy Storage Materials,2021, 39, 139-145.
2. Sheng Wang, Hucheng Song*, Ting Zhu, Jiaming Chen, Zhiqian Yu, Pengfei Wang, Linwei Yu, Jun Xu*, Haoshen Zhou, Kunji Chen. An ultra-low-charge-overpotential and long-cyclelife solid-state Li-CO2 battery enabled by plasmon-enhanced solar photothermal catalysis, Nano Energy, 2022, 107521.
3. Sheng Wang, Jue Wang, Jingjing Liu, Hucheng Song*, Yijie Liu, Pengfei Wang, Ping He*, Jun Xu, Haoshen Zhou*. Ultra-fine surface solid-state electrolytes for long cycle life all-solid-state lithium–air batteries. J. Mater. Chem. A,2018, 6, 21248.
4. Hucheng Song, Sheng Wang, Xiaoying Song, Jue Wang, Kezhu Jiang, Shihua Huang, Min Han, Jun Xu*, Ping He*, Kunji Chen, Haoshen Zhou*. Solar-driven all-solid-sate lithium-air batteries operating at extreme low temperatures. Energy Environ. Sci.,2020, 13, 1205-1211.

作者简介：

宋晓攀

南京大学电子科学与工程学院博士后，2023年在南京大学取得博士学位，师从国家杰青余林蔚教授，毕业后留校从事博士后研究。主持江苏省卓越博士后基金（2024ZB427）、南京大学优秀博士创新博士研究生创新能力提升计划A项目（202201A004）等。参与国家自然科学基金“杰出青年基金”、“后摩尔时代重大研发计划”重点项目等。博士期间作为项目组长参与并验收导师与华为终端 “可拉伸 FET元件开发”重大项目。目前研究领域：1）一维晶硅纳米线精控生长及柔性传感、显示等新型电子器件集成应用；2）可精准定位的纳米线电池器件集成及机制研究，以第一作者/通讯作者在Nano Letters、Advances Science、Materials Horizons、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces、Advanced Electronic Materials、Sensors and Actuators B: Chemical等学科群一流期刊发表SCI论文10篇，SCI引用率超600次。

王胜

苏州大学未来科学与工程学院集成电路讲师、优秀青年学者、硕士生导师。2022年于南京大学取得博士学位，师从国家杰青徐骏教授、长江学者周豪慎教授和国家优青何平教授。在超宽温域固态电池和硅纳米线器件应用领域，以第一或通讯作者在Advanced Energy Materials、Nano Letters、Nano Energy、Energy Storage Materials、Journal of Materials Chemistry A等国际一流学术期刊上发表论文7篇，SCI引用率超400次。主持江苏省自然科学基金青年项目（BK20230498）并指导5名研究生开展工作。