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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)，所有數據都以固態(tài)形式存儲的能量裝置。具體來說，它是由正極數據+負極數據和電解質組成，而液體鋰離子電池是由正極數據+負極數據+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據作為全固態(tài)鋰離子電池的核心部件，是實現其高功能的核心數據，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,絕大多數的電導率數據值幾個數量級低于價值,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: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，容易出現枝晶，存在嚴重的安全隱患。