與使用有機液體電解質的鋰離子電池（LIBs）相比，全固態鋰電池（ASLBs）具有更高的安全性和能量密度等優點。ASLB中的多層雙極堆疊可通過最大限度地減少非活性材料的使用來進一步提高能量密度。然而，由于缺乏強有力的疊層電極和電解質，特別是硫化物固體電解質，制造雙極堆疊ASLB具有很大的挑戰性。

在此，美國東北大學祝紅麗教授等人通過采用高能電極和獨特的雙極堆疊，開發了基于硫化物電解質的更高能量密度的全固態電池。與傳統的單獨密封然后包裝在一起的LiBs相比，固體電解質（SE）使ASLB無需額外的包裝材料即可直接連接。作者通過真空過濾方法開發了獨立式電極和SE層，正極、SE、負極粉末在兩親粘結劑乙基纖維素的幫助下很好地分散在甲苯中。

通過調整過濾材料的質量，可以很容易地控制每層的層厚和質量負載。然后將電極和SE層沖壓成具有所需尺寸的圓盤，并在高單軸壓力下堆疊。為避免邊緣短路，SE層的橫向尺寸略大于正極和負極層。

選擇不銹鋼（SS）箔作為雙極板，因為其具有高導電性和良好的正負極側電化學穩定性。由于電池是串聯的，因此可以獲得高電壓輸出。此外，電池之間縮短的電子傳導路徑還有利于降低電阻和提高功率密度。

圖1. 單個電池的全電池性能

研究表明，正極和負極層表現出相當大的抗拉強度（分別為347和562 kPa）和可加工性，有利于通過輕松壓制單軸堆疊電極、SE和集流體層來制造雙極堆疊ASLB。其中，涂有Li₂SiO_x的單晶LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（Li₂SiO_x@S-NMC）、納米硅、Li₆PS₅Cl分別用作正極、負極和SE。電化學測試表明，正極和負極都提供了顯著的高容量。

當在單電池中耦合正極和負極層時，電池級的高能量密度為 189 Wh kg^-1（包括集流體）。在雙極堆疊雙電池中，能量密度提高到204 Wh kg^-1。此外，隨著連接的電池數量增加，考慮到包裝材料和連接層的質量，雙極堆疊 ASLB 的能量密度增強可能要比傳統堆疊高得多。因此，這項工作闡明了雙極設計對ASLB的重要性并有望加速ASLB的商業化。

圖2. 雙極堆疊ASLB的全電池性能

Bipolar Stackings High Voltage and High Cell Level Energy Density Sulfide based All Solid-state Batteries, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.03.012