固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用優(yōu)勢

固態(tài)電解質(zhì)是未來鋰電池電解液發(fā)展的一個趨勢，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)電池技術(shù)發(fā)展到今天，從技術(shù)路徑來講，固態(tài)電解質(zhì)主要可分為氧化物電解質(zhì)，硫化物電解質(zhì)，有機(jī)聚合物電解質(zhì)，LiPON型電解質(zhì)等，可以說相對已經(jīng)比較成熟了，但也同樣遇上了瓶頸，急需新一代技術(shù)的誕生，尤其是新能源領(lǐng)域，。固態(tài)電池是有望成為下一代動力電池技術(shù)中，呼吁聲最高的一種。因?yàn)槿虘B(tài)電池不僅技術(shù)成熟度相對較高，國內(nèi)外眾多鋰離子電池企業(yè)也已將全固態(tài)電池技術(shù)作為重要的下一代技術(shù)儲備。

在固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展早期，由于固態(tài)電解質(zhì)材料電導(dǎo)率相對較低，研發(fā)的重點(diǎn)多集中在提高固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率方面，因此具有高離子電導(dǎo)率的硫化物固態(tài)電解質(zhì)和氧化物固態(tài)電解質(zhì)吸引了廣泛關(guān)注。

全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機(jī)液態(tài)電解液，可以很好的解決電池安全性問題，是電動汽車和規(guī)?；瘍δ芾硐氲幕瘜W(xué)電源。其關(guān)鍵主要包括制備高室溫電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)以及適用于全固態(tài)鋰離子電池的高能量電極材料、改善電極/固態(tài)電解質(zhì)界面相容性。

固態(tài)鋰電池是基于鋰電池開發(fā)的，相比傳統(tǒng)的鋰電池，主要是不再用液態(tài)或是膠質(zhì)作為正負(fù)極之間的傳導(dǎo)材料，從而大幅度提高了汽車安全性、耐高溫能力能。具有高安全性、高能量密度、長循環(huán)壽命、寬工作溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)，其中非常核心的就是固態(tài)電解質(zhì)。

氧化物固態(tài)電解質(zhì)按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為晶態(tài)和玻璃態(tài)(非晶態(tài))兩類，其中晶態(tài)電解質(zhì)包括鈣鈦礦型、NASICON型、LISICON型以及石榴石型等，玻璃態(tài)氧化物電解質(zhì)的研究熱點(diǎn)是用在薄膜電池中的LiPON型電解質(zhì)。

氧化物晶態(tài)固體電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性高，可以在大氣環(huán)境下穩(wěn)定存在，有利于全固態(tài)電池的規(guī)模化生產(chǎn)。研究熱點(diǎn)在于提高室溫離子電導(dǎo)率及其與電極的相容性兩方面。目前，改善電導(dǎo)率的方法主要是元素替換和異價(jià)元素?fù)诫s，與電極的相容性也是制約其應(yīng)用的重要問題。

硫化物晶態(tài)固體電解質(zhì)最為典型的是thio-LISICON，由東京工業(yè)大學(xué)KANNO教授最先在Li2S-GeS2-P2S體系中發(fā)現(xiàn)，化學(xué)組成為Li4-xGe1-xPxS4，室溫離子電導(dǎo)率最高達(dá)2.2×10-3S/cm(其中x=0.75)，且電子電導(dǎo)率可忽略。thio-LISICON的化學(xué)通式為Li4-xGe1-xPxS4(A=Ge、Si等,B=P、A1、Zn等)。

硫化物玻璃固體電解質(zhì)通常由P2S5、SiS2、B2S3等網(wǎng)絡(luò)形成體以及網(wǎng)絡(luò)改性體Li2S組成，體系主要包括Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3。組成變化范圍寬，室溫離子電導(dǎo)率高，同時具有熱穩(wěn)定高、安全性能好、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬(達(dá)5V以上)的特點(diǎn)，在高功率以及高低溫固態(tài)電池方面優(yōu)勢突出，是極具潛力的固態(tài)電池電解質(zhì)材料。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)由聚合物基體(如聚酯、聚酶和聚胺等)和鋰鹽(如LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等)構(gòu)成，因其質(zhì)量較輕、黏彈性好、機(jī)械加工性能優(yōu)良等特點(diǎn)而受到了廣泛的關(guān)注。

常見的SPE包括聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚環(huán)氧丙烷(PPO)、聚偏氯乙烯(PVDC)以及單離子聚合物電解質(zhì)等體系。

目前，主流的SPE基體仍為最早被提出的PEO及其衍生物，主要得益于PEO對金屬鋰穩(wěn)定并且可以更好地解離鋰鹽。

LiPON型電解質(zhì)是美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)，在高純氮?dú)鈿夥罩胁捎蒙漕l磁控濺射裝置濺射高純Li3P04靶制備得到鋰磷氧氮(LiPON)電解質(zhì)薄膜。

據(jù)了解，該材料具有優(yōu)秀的綜合性能，室溫離子導(dǎo)電率為2.3×10-6S/cm，電化學(xué)窗口為5.5V(http://vs.Li/Li+)，熱穩(wěn)定性較好，且與LiCoO2、LiMn2O4等正極以及金屬鋰、鋰合金等負(fù)極相容性良好。LiPON薄膜離子電導(dǎo)率的大小取決于薄膜材料中非晶態(tài)結(jié)構(gòu)和N的含量，N含量的增加可以提高離子電導(dǎo)率。