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中美研究人员解锁下一代固态电解质材料
2019-05-09
来源：转载自第三方
全固态锂电池可以避免液体电解质带来的负效用，提高电池的安全性和服役寿命；此外，其固体特点能有有效阻止锂枝晶的穿透，使得锂替代传统石墨负极材料成为可能。目前业界普遍认为全固态锂离子电池将成为下一代锂离子电池的关键技术，实现更高的安全性、能量密度和更长的循环寿命。
全固态锂电池的优点
1）安全性好，电解质无腐蚀，不可燃，也不存在漏液问题；
2）高温稳定性好，可以在60℃-120℃之间工作；
3）有望获得更高的能量密度。固态电解液，力学性能好，有效抑制锂单质直径生长造成的短路问题，使得可以选用理论容量更高的电极材料，比如锂单质做负极；固态电解质的电压窗口更宽，可以使用电位更高的材料做正极而不惜担心电解质分解问题；
4）固态电解质支持电芯薄膜化设计，最小可以达到几个纳米，拓宽了锂电池的应用范围，并且使得电池自带柔性成为可能。
5）可以选用电阻较大、充放电过程体积变化比较大的材料做正负极，薄膜化的正负极材料，只要成膜性能好，即使材料电阻偏大，只要足够薄以后，依然不会给电池特性带来明显影响。
全固态锂电池的缺点
1）温度较低的时候，内阻比较大；
2）材料导电率不高，功率密度提升困难；
3）制造大容量单体困难；
4）大规模制造中的正负极成膜技术还在集中火力研究中。
“文武双全”的卤族无机固态电解质
近日，美国马里兰大学材料系莫一非教授研究组与北京大学材料系孙强教授研究组合作通过第一性原理计算研究了基于卤族的无机快锂离子导体，提出并证实了氯化物、溴化物作为快离子导体同时具有良好的电化学稳定性和高离子电导，是极具潜力的下一代固态电解质材料。基于密度泛函理论的模拟计算，该团队研究了松下公司近期报道的Li3YCl6和Li3YBr6两种材料，并且从理论上确认了这些材料具有高的离子电导率、较宽的电化学窗口（0.6～4.2 V）、以及与层状氧化物正极界面的良好兼容性。在此基础上，他们通过进一步计算发现卤化物的阴离子晶格本征地具有低的锂离子迁移势垒。不同于传统氧化物、硫化物快离子导体的设计原则，卤族化合物不需要体心立方阴离子框架结构与协同跃迁的输运模式，也能具有较低的锂离子跃迁势垒。这为进一步设计新型固态快离子导体提供了指导。
此外，全固态锂电池的另一关键技术问题就是固体电解质与电极之间的界面兼容性和稳定性。该团队通过对Materials Project数据库中含锂三元卤化物的计算发现氯化物和卤化物大多具有较宽的电化学窗口，可以实现对4V电池电压的覆盖。且氯化物和溴化物与广泛使用的正极材料LiCoO2展现出良好的界面兼容性。氯离子良好的抗氧化性可以有效抑制与正极材料在脱锂过程中发生的分解副反应。松下公司近期报道基于Li3YCl6和Li3YBr6组装的全固态电池在没有涂层保护的情况下展现了良好的循环稳定性和高库伦效率也证实了卤化物固态电解质良好的界面稳定性这一特性，且该类材料良好的可加工柔性也有利于进一步增强电极/电解质接触面积，减少界面阻抗。
本文由苏州亚科科技股份有限公司编辑
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