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全固态锂电池之固态电解质知多少

2018-6-13
        全固态锂离子电池是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态,不含任何液态组分的锂电池。固态电解质是全固态锂电池的核心,其具有高锂离子电导率、高锂离子迁移数、优良电化学及热稳定性、机械性能,因此成为当前的研究热点。本文将对全固态锂电池的固态电解质进行总结和展望。
        固态电解质主要包括氧化物、硫化物、聚合物以及聚合物/无机物复合固态电解质[1]。
氧化物固体电解质
        按物质结构,氧化物固态电解质可以分为晶态电解质和玻璃态电解质。晶态电解质包括石榴石型固态电解质,钙钛矿型Li3xLa2/3–xTiO3固态电解质,NASICON型Li1+xAlxTi2–x(PO4)3和Li1+xAlxGe2–x(PO4)3固态电解质等。玻璃态电解质包括反钙钛矿型Li3–2xMxHalO 固态电解质和LiPON薄膜固态电解质。
硫化物固态电解质
        与氧化物固态电解质相比,硫化物固态电解质具有高的离子电导率,低的晶界电阻和高的氧化电位。这是由于硫的离子半径大,极化能力强,构建了更大的锂离子传输通道;硫的电负性比氧低,弱化了锂离子与相邻骨架结构间的键合作用,增大了自由锂离子浓度;许多主族元素与硫能够形成更强的共价键,所得到的硫化物更稳定,不与金属Li反应,使得硫化物电解质具有更好的化学和电化学稳定性。硫化物固态电解质按结晶形态分为晶态固态电解质、玻璃固态电解质及玻璃陶瓷固态电解质。
聚合物固态电解质
        聚合物固态电解质通常是由极性高分子和金属盐络合而成,具有高的安全性、力学柔性、黏弹性和易成膜等诸多优点,被认为是下一代高能存储器件用最具潜力的电解质之一。主要包括聚氧乙烯(PEO)基电解质、聚碳酸酯基体系和聚硅氧烷基体系。
聚合物/无机物复合固态电解质
        与纯聚合物固态电解质相比,复合固态电解质具有更低的熔融温度和玻璃化转变温度。填料的存在,提高了电解质的离子电导率和力学性能,电解质和锂负极稳定兼容。填料种类主要有:无机惰性填料、无机活性填料和有机多孔填料。
总体来说:
  • 氧化物固态电解质室温离子电导率相对较高、电化学窗口宽、热稳定性好,高模量和高硬度有助于抑制锂枝晶形成和生长;
  • 硫化物固态电解质相对较软,易于加工,锂枝晶易于在电解质的孔隙和晶界生长;
  • 聚合物固态电解质具有良好的柔顺性和成膜性能,易于制备柔性储能器件,但其较低室温离子电导率和窄的电化学窗口有待提高;
  •  聚合物/无机物复合型固态电解质材料则兼顾了力学性能、离子电导率和电化学窗口。
        锂电池具有能量密度高、输出功率大、电压高、自放电小、工作温度范围宽、无记忆效应和环境友好等优点,已应用于电动车、轨道交通、大规模储能和航空航天等领域。但是,目前商业化的锂电池采用有机液体电解质,其存在着固/液界面处复杂反应、热力学不稳定性、易挥发泄漏、引起火灾甚至爆炸等缺陷。用固态电解质代替液体电解质是获得高能量密度、安全性和长循环寿命的全固态锂电池的根本途径,但是如果将其进行商业化应用,仍需相关研究人员的进一步努力。
参考文献
[1] 陈 龙,池上森,董 源,等。全固态锂电池关键材料—固态电解质研究进展。硅酸盐学报, 2018, doi:10.14062/j.issn.0454-5648.2018.01.03.
本文由苏州亚科科技股份有限公司编辑