全固態(tài)鋰離子電池的研究進展

自1991年投入市場以來，鋰離子電池因其能量密度高、壽命長而備受關注。已成為21世紀能源經(jīng)濟不可分割的一部分。然而，鋰離子電池在汽車、儲能等大型電池領域的應用還存在一些亟待解決的安全問題。鋰離子電池的有機電解質是揮發(fā)性、易燃易爆的。[1]全固態(tài)鋰離子電池從根本上解決了這一問題，并且具有容量大、質量輕等優(yōu)點，可以完成全固態(tài)鋰離子電池產業(yè)化的研究迫在眉睫。

1.概述所有固體鋰離子電池

全固態(tài)鋰離子電池是相關于液態(tài)鋰離子電池而言的，是指結構中不含液態(tài)，所有數(shù)據(jù)都以固態(tài)形式存儲的能量裝置。具體來說，它是由正極數(shù)據(jù)+負極數(shù)據(jù)和電解質組成，而液體鋰離子電池是由正極數(shù)據(jù)+負極數(shù)據(jù)+電解質和隔膜組成。

全固態(tài)鋰離子電池的研究進展

鋰離子固體電解質數(shù)據(jù)作為全固態(tài)鋰離子電池的核心部件，是實現(xiàn)其高功能的核心數(shù)據(jù)，也是影響其實際應用的瓶頸之一。固態(tài)電解質發(fā)展歷史已超過一百年,固態(tài)電解質材料的討論有數(shù)百個,只要固態(tài)電解質在室溫下或高溫導電率大于三s/厘米可以應用在電化學電源系統(tǒng)中,絕大多數(shù)的電導率數(shù)據(jù)值幾個數(shù)量級低于價值,這使得很少固態(tài)電解質材料具有實際應用價值。[2]

2.固體電解質的研究進展

電解質作為電池的重要組成部分，其功能在很大程度上決定了電池的功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能和使用壽命。電解質的評價指標一般包括:

(1)離子電導率:離子電導率會影響組裝電池的體積電阻。關于固體電解質，離子電導率一般要求達到10-4s/cm以上。

(2)去除數(shù):指鋰離子在通過電解液的電流中所占的份額。在理想狀態(tài)下，去除數(shù)為1。假如去除率過低，負離子會在電極表面積聚，導致電池的極化和電阻增大。

(3)電化學窗口:在電池工作電壓范圍內，電解液需求具有較高的電化學穩(wěn)定性，否則在工作過程中會發(fā)生分解，一般要求電化學窗口高于4.3v。[3]

目前研究的固體電解質重要有氧化物固體電解質、硫化物固體電解質、聚合物固體電解質和復合固體電解質。以下是對這些固體電解質及其研究進展的詳細介紹。

全固態(tài)鋰離子電池的研究進展

2.1氧化物固體電解質

氧化物固體電解質按材料結構分為結晶電解質和玻態(tài)(非晶)電解質。晶體電解質包括石榴石固體電解質、鈣鈦礦li3xla2/3-xTiO3固體電解質、NASICONLi1+xalxti2-x(PO4)3和Li1+xalxge2-x(PO4)3固體電解質等。玻璃態(tài)電解質由抗鈣鈦礦li3-2xmxhalo固體電解質和脂質薄膜固體電解質組成。

2.1.1石榴石固體電解質[4]

傳統(tǒng)的石榴石電解液為Li7La3Zr2O12(LLZO)。立方相石榴石電解質在室溫下(10-3s/cm)具有較高的離子電導率，在與金屬鋰接觸時比其他類型的電解質更穩(wěn)定。它是一種很有前途的電解質。

目前，石榴石電解質面對兩大問題:

1.鋰含量高，使得電解液表面容易與空氣中的水和二氧化碳出現(xiàn)氫氧化鋰和碳酸鋰，導致界面阻抗大，電池功能差。

2.石榴石電解液對金屬鋰的潤濕能力較差，鋰離子在循環(huán)過程中積累不均勻，容易出現(xiàn)枝晶，存在嚴重的安全隱患。