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全方位解析全固态锂离子电池

导读: 全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,有望从根本主解决电池安全性问题,是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。其关键主要包括制备高室温电导率和电化学稳定性的固态电解质以及适用于全固态锂离子电池的高能量电极材料、改善电极/固态电解质界面相容性。

全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,有望从根本主解决电池安全性问题,是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。其关键主要包括制备高室温电导率和电化学稳定性的固态电解质以及适用于全固态锂离子电池的高能量电极材料、改善电极/固态电解质界面相容性。

全固态锂离子电池的结构包括正极、电解质、负极,全部由固态材料组成,与传统电解液锂离子电池相比具有的优势有:

①完全消除了电解液腐蚀和泄露的安全隐患,热稳定性更高;

②不必封装液体,支持串行叠加排列和双极结构,提高生产效率;

③由于固体电解质的固态特性,可以叠加多个电极;

④电化学稳定窗口宽(可达5V以上) ,可以匹配高电压电极材料;

⑤固体电解质一般是单离子导体,几乎不存在副反应,使用寿命更长。

固态电解质

聚合物固态电解质

聚合物固态电解质(SPE),由聚合物基体(如聚酯、聚酶和聚胺等)和锂盐(如 LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等)构成,因其质量较轻、黏弹性好、机械加工性能优良等特点而受到了广泛的关注。发展至今,常见的SPE包括聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚环氧丙烷(PPO)、聚偏氯乙烯 (PVDC)以及单离子聚合物电解质等其它体系。

目前,主流的SPE基体仍为最早被提出的PEO及其衍生物,主要得益于PEO对金属锂稳定并且可以更好地解离锂盐。然而,由于固态聚合物电解质中离子传输主要发生在无定形区,而室温条件下未经改性的PEO的结晶度高,导致离子电导率较低,严重影响大电流充放电能力。

研究者通过降低结晶度的方法提高PEO链段的运动能力,从而提高体系的电导率,其中最为简单有效的方法是对聚合物基体进行无机粒子杂化处理。目前研究较多的无机填料包括 MgO 、Al2O3、SiO2等金属氧化物纳米颗粒以及沸石、蒙脱土等,这些无机粒子的加入扰乱了基体中聚合物链段的有序性,降低了其结晶度,聚合物、锂盐以及无机粒子之间产生的相互作用增加了锂离子传输通道,提高电导率和离子迁移数。无机填料还可以起到吸附复合电解质 中的痕量杂质(如水分)、提高力学性能的作用。

为了进一步提高性能,研究者开发出一些新型的填料,其中由不饱和配位点的过渡金属离子和有机连接链(一般为刚性)进行自组装,形成的金属有机框架 (MOF) 因其多孔性和高稳定性而受到关注。

氧化物固态电解质

按照物质结构可以将氧化物固态电解质分为晶态和玻璃态(非晶态)两类,其中晶态电解质包括钙钛矿型、NASICON 型、LISICON型以及石榴石型等,玻璃态氧化物电解质的研究热点是用在薄膜电池中的LiPON型电解质。

氧化物晶态固体电解质

氧化物晶态固体电解质化学稳定性高,可以在大气环境下稳定存在,有利于全固态电池的规模化生产,目前的研究热点在于提高室温离子电导率及其与电极的相容性两方面。目前改善电导率的方法主要是元素替换和异价元素掺杂。另外,与电极的相容性也是制约其应用的重要问题。

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