解析全固态锂电池电解质

来源:钜大LARGE    2017-08-26    点击量: 171
      固态锂电池的正极材料与液态电解质电池没有太大差别,负极材料主要选用锂金属、锂合金或石墨烯等。这么多有利的因素,组合在一起就构成了固态锂离子电池。目前固态锂电池可以分为无机固态电解质电池和聚合物固态锂电池两种,而固态锂电池的发展主要还是依赖于固体电解质的材料的发展。
      对于固态电池来说,选用合适的固态电解质材料是电池设计的核心内容,一般对电解质的性能要求有以下:
      1.具有高的室温电导率;
      2.电子无法通过,锂离子能够通过;
      3.电化学窗口宽;
      4.与电极材料相容性好;
      5.热稳定性好、耐潮湿环境、机械性能优良;
      6.原料易得,成本较低,合成方法简单。
      一、聚合物锂电池电解质
      在有机聚合物基锂离子导体中,锂离子以锂盐的形式“溶于”聚合物基体。电导率是表征电解质优劣的关键参数,而传输速率主要受到与基体相互作用及链段活动能力的影响。提高链段的活动性有利于提高锂离子电导率。
      目前,研究较多的聚合物固体电解质是PEO(聚环氧乙烷)及其衍生物络合锂盐类聚合物电解质。PEO类聚合物在较高的温度下也有很好的离子电导率,且加工性能好。但PEO类聚合物电解质也存在室温离子电导率低、与金属锂负极的相容性差等问题。
      二、无机固态电解质
      无机固态电解质材料中,早期开发的卤化物电解质电导率较低。这些早期开发的材料还存在化学性质不稳定、制备困难等问题。
      硫化物电解质和氧化物电解质都包含有玻璃、陶瓷及玻璃-陶瓷(微晶玻璃)3种不同结晶状态的材料。总的来说,由于S相对于O对Li的束缚作用较弱,有利于Li+的迁移,因此硫化物的电导率往往显著高于同种类型的氧化物。
      氧化物电解质对空气和热稳定性高,原料成本低,更易实现规模化制备。在氧化物电解质中,非晶(玻璃)态氧化物电解质的室温电导率较低,且对空气中的水汽较敏感,制备往往需要高温淬冷,难以应用于实际电池。
      在氧化物中,锂离子在尺寸大得多的O2-构成的骨架结构间隙进行传导,减弱Li-O相互作用、实现锂离子的三维传输及优化传输通道中锂离子与空位浓度的比例均有利于提高锂离子的电导率。基于这些理念,一些具有复杂结构的氧化物锂离子导体材料相继出现,其中具有代表性的包括石榴石型结构体系、钙钛矿结构体系、钠快离子导体结构体系。然而,这些材料中,只有石榴石型结构体系的材料对金属锂稳定。另两种结构体系中电导率较高的材料均含有可被金属锂还原的Ti、Ge等元素。此外,石榴石型结构体系材料对空气有较好的稳定性,原料成本低,烧结体具有较高的机械强度,因此具备作为理想固态电解质广泛应用于全固态锂电池的潜力。
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