全固態(tài)電池的技術(shù)優(yōu)勢

傳統(tǒng)的鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜、電解液、結(jié)構(gòu)殼體等部分組成，而全固態(tài)電池顧名思義就是電池里面沒有氣體、液體，所有的材料都以固態(tài)形式存在，用固體電解質(zhì)來替代現(xiàn)有鋰離子電池中使用的液體成分。這樣一來不僅提升了電池的能量密度，還大大降低了鋰枝晶所帶來的危險(xiǎn)。

但是現(xiàn)有的固態(tài)電池并不是完美的。雖然采用了固態(tài)電解質(zhì)來替代液態(tài)電解質(zhì)，避免鋰枝晶刺穿隔膜，導(dǎo)致漏液，引發(fā)爆炸；但由于電解質(zhì)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，這也導(dǎo)致了固態(tài)電解質(zhì)中離子的電導(dǎo)率相對于液態(tài)電解質(zhì)較低。

作為電動汽車的“心臟”，如何既保證安全又提升電池性能成了固態(tài)電池亟待解決的問題。

正極界面改性

電極與電解質(zhì)界面的化學(xué)穩(wěn)定性影響著全固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電化學(xué)性能和使用壽命。

針對正極/LLZO電解質(zhì)界面存在的問題，改性的方法有：正極復(fù)合、界面處理工藝優(yōu)化、界面層引入以及電解質(zhì)復(fù)合等。

復(fù)合正極

區(qū)別于傳統(tǒng)鋰離子電池正極，在全固態(tài)電池的正極組成中引入高電導(dǎo)率的石榴石型固體電解質(zhì)粉、Li3BO3等形成復(fù)合正極，在提升電極電導(dǎo)率的同時(shí)能夠改善正極與石榴石型固體電解質(zhì)片之間的界面相容性、降低界面阻抗。

(a)復(fù)合陰極/LLZTO 電解質(zhì)界面的 SEM 照片;

 (b)LLZTO電解質(zhì)表面的SEM照片; 

在(c)二次電子和(d)背散射電子下的復(fù)合陰極的 SEM 照片。

界面處理工藝優(yōu)化

由于正極與石榴石型電解質(zhì)固-固接觸面積小，濕潤性差在界面處易形成氣孔、裂紋等缺陷導(dǎo)致高的界面阻抗。通過界面處理工藝，如：電解質(zhì)片上原位生長電極層、脈沖激光沉積、溶膠-凝膠法、共燒結(jié)等方法能有效改善正極與石榴石型電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)，降低界面阻抗。

優(yōu)化界面的處理工藝中，脈沖激光沉積能夠精確控制沉積的厚度，強(qiáng)化界面接觸效果，有效降低界面阻抗，優(yōu)化電池性能，但成本較高，且不適于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。共燒結(jié)、原位生長電極層等難以控制界面層的組成、結(jié)構(gòu)和形貌，為獲得接觸良好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的低阻抗界面，簡單、低成本、易操控的界面處理工藝有待進(jìn)一步開發(fā)。

正極-固態(tài)電解質(zhì)界面改性示意圖

界面層的引入

在正極和電解質(zhì)界面之間引入過渡層，形成兩個(gè)新的界面，能夠較好地改善原有正極/電解質(zhì)的界面相容性，抑制界面高阻相的生成，提高界面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低界面電阻。

電解質(zhì)復(fù)合

在固體電解質(zhì)中引入用于傳統(tǒng)鋰離子電池體系中的少量液態(tài)電解液，形成固-液混合型的電解質(zhì)，在改善固體電解質(zhì)/電極界面相容性的同時(shí)，也可以有效降低界面阻抗，改善全固態(tài)電池的電化學(xué)性能。

復(fù)合電解質(zhì)在改善與正極材料界面濕潤性、降低界面阻抗的同時(shí)，具備良好的柔韌性和機(jī)械加工性能。目前，采用復(fù)合電解質(zhì)組裝的全固態(tài)電池，在使用過程中為避免復(fù)合電解質(zhì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)退化，多數(shù)情況下對電池的使用溫度和電壓有一定的要求，限制了全固態(tài)電池性能的發(fā)揮，因而，電化學(xué)循環(huán)過程中復(fù)合電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步改善。

結(jié)語

全固態(tài)電池是后鋰電時(shí)代的必經(jīng)之路，正極材料固-固界面穩(wěn)定性不佳是造成全固態(tài)電池室溫性能不佳的主要原因。目前，對于該固-固界面的優(yōu)化已取得顯著成果，但距離固態(tài)電池像液態(tài)電池一樣大規(guī)模商業(yè)化還有很長的路要走，現(xiàn)如今多種電解質(zhì)形態(tài)也都有著各種各樣的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，因此如何將固態(tài)電解的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行整合或者開發(fā)復(fù)合電解質(zhì)，優(yōu)化固-固界面性質(zhì)是當(dāng)前的主要任務(wù)之一。

2021年1月19日，由中國粉體網(wǎng)、中國顆粒學(xué)會能源顆粒材料專委會主辦，長沙礦冶研究院先進(jìn)材料研究所協(xié)辦的第二屆高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)大會將在長沙吉美國際會展酒店隆重舉行，屆時(shí)我們將邀請行業(yè)的專家學(xué)者與各位參會嘉賓分享研究成果，歡迎各位專家學(xué)者積極參會。

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參考資料：

李棟，雷超等. 全固態(tài)鋰離子電池正極與石榴石型固體電解質(zhì)界面的研究進(jìn)展.

畢志杰，趙寧等.固態(tài)鋰電池電池界面問題研究進(jìn)展.

李煜宇, 李真. 全固態(tài)鋰離子電池正極界面的研究進(jìn)展.