固態電池（SSB），即鋰離子電池中的易燃液體電解質被固體電解質（SSE）取代，具有比常規鋰離子電池更高能量密度和安全性的潛力。然而，SSB通常需要使用具有高容量和長期穩定性的電極材料。合金負極為高性能SSB提供了獨特的力學優勢，且可使其能量密度與其他高性能替代品相媲美。

在此，美國佐治亞理工學院Matthew T.McDowell等人總結了在SSB中使用合金負極的可能優勢和挑戰。首先，作者探討了基于合金負極的SSB的預測能量密度/比能量。基于合金負極的SSBs超過了傳統鋰離子電池的能量密度/比能量，且接近鋰金屬電池的能量密度。然后，作者討論了在固態環境中使用合金與其在液體中的使用相比及與其他SSB負極材料相比的預期力學優勢。在沒有復雜活性材料結構的情況下，在固態環境中更容易實現合金負極的穩定長期循環。

與鋰金屬負極相比，使用“主體”材料（如合金或石墨）來包含鋰可避開SSB中枝晶生長和界面接觸損失的問題。根據電池設計的不同，施加在SSB上的堆棧壓力有助于控制合金材料在反應過程中的形態變化。此外，利用剛性電池設計在體積膨脹過程中在負極內部產生壓縮應力，這可能會提高材料的耐久性。

圖1. 在SSB中使用合金負極的力學優勢和挑戰

接下來，作者討論了在SSB中使用合金負極的研究問題和挑戰。與在SSB中使用合金負極相關的一個普遍科學問題是，是否可在復合或純電極中控制每個循環中發生的體積和結構變化，以保持固-固電化學界面的連接性。

因此，需要研究合金負極與各種SSE材料的動態化學和機械相互作用。另一個重要方面是施加的堆棧壓力對材料和界面演變的作用，即堆棧壓力大小如何影響界面處的局部應力、界面連通性和合金材料循環變形需要進一步研究。此外，SSB電極設計的一個關鍵方面是電極內需要支撐足夠離子/電子傳輸的路徑，從而實現快速充放電。

圖2. 電解質厚度和合金負極體積分數對電池能量的影響

總之，基于合金負極的SSB非常具有吸引力，因為其具有比石墨負極更好的抗短路性、長期穩定性及更好的能量指標。然而，為了實現這一應用，需要開展基礎和應用工作來促進對SSB中合金材料演變的理解和控制。鑒于對改進的儲能解決方案的巨大需求及可能受益于不同電池化學成分的各種應用和案例，開發基于合金負極的SSB似乎是當務之急。

The promise of alloy anodes for solid-state batteries, Joule 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2022.05.016