全固態電池（All-solid-state batteries, ASSBs）作為高能量和高功率儲能器件顯示出巨大的潛力，但是由于鋰離子傳輸的動力學緩慢，它們在室溫下可達到的能量/功率密度嚴重降低。基于此，斯坦福大學崔屹教授（通訊作者）等人首次報道了一種熱調制電流收集器（thermally modulated current collector, TMCC），在不到1 min的時間內將ASSBs從室溫快速冷啟動到工作溫度（70-90 °C），并具有均勻的內部電池加熱，從而在充電/放電期間顯著加速電池動力學。此外，對比不加熱的情況，TMCC可以提高瞬態峰值功率密度15倍。
具體而言，超薄（~200 nm）和均勻的鎳（Ni）層用作加熱調制器，并夾在兩個超薄（6 μm）聚酰亞胺（PI）層之間，可以將加熱電流與電池循環電流隔離。隨后，涂覆導電層（500 nm厚，以Al為例）以賦予電極材料電子傳導。集電器（CC）中的這種超薄、大面積熱調制器對于縮短傳熱路徑、最大限度地減少熱損失以及在與電池內部的化學/電化學反應隔離的同時減輕局部過熱的形成至關重要。因此，作者采用TMCC加熱的高面容量（~2.1 mAh/cm2）ASSB的最大瞬態功率密度比沒有加熱的高15倍。此外，模擬的加熱能耗低至電池總能量的3.94%，有利于熱效率。該多功能CC無需使用依賴于整體加熱的輔助加熱設備，并且與當前的電池制造程序兼容。這種新穎的架構設計保證了良好的通用可調性，從CC的角度來看，可以使智能儲能設備在未來具有新的功能。
全固態電池（ASSBs）作為便攜式電子產品和電動汽車最有前途的儲能設備之一，但是由于鋰離子傳輸的動力學緩慢，特別是在室溫（RT）下，它們可達到的ASSBs能量/功率密度顯著降低。雖然一些ASSBs可以在RT下運行，但是由于采用了低面積電極負載和厚SSEs，以及不穩定的界面問題，電池能量仍然很低。其中，固體聚合物電解質（SPEs）具有優異的柔韌性、重量輕、低成本和良好的界面接觸等優點，但它們的離子電導率有限。這些加熱系統在不影響電池能量密度下很難集成到電動汽車等實際應用中，同時受到緩慢、不均勻的加熱和嚴重的熱損失的影響。因此，迫切需要實現緊湊、快速和均勻的熱調制器，但在ASSBs研究中被忽視。
近年來，電池預熱已成功用于鋰離子電池（LIBs）的實現快速充電能力等用途，但電池內預熱需要高度均勻性以避免局部過熱，否則會導致枝晶形成、副反應或局部過充電。集電器（CCs）是與化學/電化學反應隔離的關鍵部件，電池中不含鋰離子。CC一般由致密和超低電阻率材料制成，不適合直接用作熱調制器元件。如果將熱調制器連接到ASSBs循環電路，將難以實現最佳加熱，原因如下：（1）由于循環電流的限制，熱量產生不足；（2）無法短時間達到臨界溫度；（3）無法定制溫度。
TMCC構造及其穩定性表征
復合CC的總厚度為13.2 μm，接近常用的Al CC（~15 μm）。這種復合CC的比質量約為1.41 mg/cm2，僅為常用Al CC的1/3。ASSB的高體積能量密度保持良好（99.63%），質能密度比傳統集電器提高了6.01%。當TMCC在ASSB中組裝時，通過施加電流從加熱調制器產生均勻的焦耳熱。由于Ni加熱調制器均勻地靠近CC區域，因此加熱調制器的每一層都覆蓋了旁邊的電池單元。這種結構有效地縮短了電池內的傳熱時間，緩和了溫度梯度，減少了熱損失。
從橫截面SEM圖像中，作者發現超薄且高柔性的復合SSE（PEO-LiTFSI-PE）的厚度僅為18 μm。作者研究了TMCC如何影響復合SSE的鋰離子電導率。非對稱軟包電池由夾在鋁層和TMCC之間的復合SSE構成，而TMCC中Ni層產生的熱量轉移到復合SSE，增加了其離子電導率。當加熱電壓從3 V增加到13 V時，復合SSE的離子電導率增加了兩個數量級。通過紅外相機捕獲的不同加熱條件下LFP|SSE|Li ASSB的空間溫度分布圖像，由于加熱面積與CC相同，該TMCC可以均勻提高ASSB的溫度。
在不同加熱條件下，使用TMCC的LFP|SSE|Li電池不斷增加放電C率的極化曲線。電池首先在0.1 C、80 ℃下完全充電至4.0 V，然后冷卻至室溫以供進一步使用。隨后，ASSBs在不同電流密度（從0.5 C到高達16.5 C）下以0.5 C的C倍率增加步驟放電，直到放電電壓低于0.5 V。當放電電流密度從0增加到32 mA/cm2時，ASSBs的輸出功率密度先增大后減小，在特定加熱電壓下達到峰值瞬態輸出功率密度。隨著加熱電壓的增加，瞬態峰值輸出功率密度增加，這可歸因于更快的動力學。進一步將LFP活性材料負載量增加到~15 mg/cm2，并評估其電化學性能。在10 V的加熱電壓下達到了~140 mAh/g，對應的面積容量為2.1 mAh/cm2。
CC加熱器以相同的加熱功率密度嵌入到每個CC層中，以增強電池或封裝的電化學性能。作者構建了13.6-Wh、5-kWh和60-kWh三種不同尺寸的電池，以研究它們的發熱消耗。由于整個集流體受熱均勻，相應的從電池表面到電池芯的溫度波動小于6 C。此外，從0.1 z軸/總高度（z/H）到0.9 z/H的溫度梯度非常小，證明了這種集流體加熱的低熱損失和高效的加熱利用。TMCC上的電壓關閉，電池溫度在1400 s內緩慢降至70 ℃。然后施加另一個加熱脈沖（3 s）以將電池組再次加熱到90 ℃。隨著電池尺寸的增加，加熱能量消耗由于表面積/體積比的降低而降低。以運行1 h計算，60-kWh電池組加熱所需的能量僅占電池總能量的3.94%。
Cold-Starting All-Solid-State Batteries from Room Temperature by Thermally Modulated Current Collector in Sub-Minute. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202202848.
https://doi.org/10.1002/adma.202202848.
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