中国粉体网讯 以固体电解质替代有机液体电解液的全固态锂电池，在解决传统锂离子电池能量密度偏低和使用寿命偏短这两个关键问题的同时，有望彻底解决电池的安全性问题，符合未来大容量新型化学储能技术发展的方向。全固态锂电池，各组成部分大多采用无机粉体材料，通过集成技术形成全电池。
全固态锂离子电池结构示意图
（图片来源：宋洁尘等：全固态锂离子电池的研究进展与挑战）
固态电解质粉体
固态电解质在全固态锂离子电池中起到传输锂离子的作用。固态电解质可分为有机聚合物电解质和无机固态电解质，前者包括固态聚合物电解质和凝胶聚合物电解质，后者包括氧化物基固态电解质和硫化物基固态电解质。
固态电解质的分类
（图片来源：宋洁尘等：全固态锂离子电池的研究进展与挑战）
氧化物电解质粉体
以石榴石型固态电解质Li7La3Zr2O12粉体为例：传统的制备LLZO方法主要为固相法和溶胶–凝胶法。固相法得到的LLZO室温离子电导率较高，而溶胶–凝胶法易于得到纳米级LLZO粉体。采用场辅助烧结或氧气氛烧结也可以得到性能较好的LLZO粉体。此外，LLZO对空气有较好的稳定性，不与金属锂反应，烧结体具有优良的机械强度，有望成为全固态锂电池理想的固态电解质材料。
硫化物电解质粉体
在机械压力下晶界接触良好、离子电导率高，因此使用硫化物电解质的全固态锂离子电池可以在常温下通过简单的机械压力法获得。电池的复合正极层由正极材料、硫化物固态电解质和导电碳颗粒复合而成。正极层、固态电解质层和金属负极层依次放入模具中，通过在正负极两端施加机械压力完成全固态电池的制备。
Li-P-S-基硫化物体系，例如Li-Ge-P-S陶瓷和Li2S-P2S5玻璃陶瓷，它们的室温锂离子电导率高于10–3S/cm，而且其粉体经冷压后的块体具有非常低的晶界电阻，即很高的晶界锂离子电导率。
电极粉体材料
作为电池体系中的锂离子提供者，正极材料主要有LiCoO2、尖晶石结构的LiMn2O4、橄榄石结构的LiFePO4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等三元材料，以及富锂层状结构的Li2MnO3·LiMO2（M=Ni、Co、Mn等过渡金属）。
负极是在电池充电过程中发生锂化的地方，主要有石墨、金属锂及其合金、硅基和锡基材料、金属氧化物等。以上电池正负极材料中，包括磷酸铁锂、三元材料、石墨负极、硅碳负极等主流电极材料都是粉体形态。
三元正极粉体材料
锂离子电池用镍钴锰三元正极材料由于能量密度高、循环性能好而备受市场青睐，但其存在表面残碱高、安全性能差的缺点。无机固态电解质具有高离子电导率、高结构稳定性的特点。将无机固态电解质材料包覆在三元正极材料颗粒的表面，使得三元正极材料不直接接触电解液，从根源上解决了三元正极材料的安全、循环等问题。
美国橡树岭国家实验室的研究人员采用磁控溅射技术，在20mTorr的Ｎ2气氛中，以80Ｗ的功率向三元正极材料粉体溅射Li3PO4靶材，在一种富锂化的三元正极材料Li1.2Mn0.525Ni0.175Co0.1O2颗粒表面均匀地镀上了一层非常薄的LiPON层。涂有LiPON的富锂三元复合正极材料表现出优异的稳定性。
新形态粉末锂负极
锂电极表面粗糙程度的不同导致了表面电荷分布的不均匀，进而导致了锂沉积的不均匀，在充放电过程中形成锂枝晶，因而改变锂负极的形态，增大比表面积，可以有效抑制锂枝晶的产生。新形态粉末锂电极由于其较大的比表面积而受到研究者们的关注，采用粉末状的金属锂作为负极可以提高锂电极的界面稳定性能。微乳液法是制备锂粉末电极的常用方法，其得到的粉末锂直径为10～40μm，比表面积是锂片比表面积的4.5～6倍。
导电剂粉体
全固态锂电池的开发，新世纪以来进展迅猛，尤其是基于硫化物电解质的全固态锂电池，由于电解质离子电导率较高，研究进展极为迅猛。典型的全固态锂电池结构中负极多为金属锂或合金负极材料，中间层为硫化物电解质，电解质另一侧为复合正极，复合正极通常是导电剂、活性物质和电解质三者的混合物，以实现在固态电极中活性物质颗粒锂离子和电子的顺利导通。
有研究人员以单质硫为活性物质研究了复合导电添加剂对全固态锂硫电池性能的影响，发现以乙炔黑（AB）为导电碳材料明显优于Super P和Ketjen Black；优化复合正极的组成，发现硫：乙炔黑：固体电解质的质量比为40:20:40时，全固态锂硫电池在室温和60℃下均具有良好的电化学性能。
除了乙炔黑（AB）之外，碳纳米管（CNTs）粉体也被用作导电剂。AB和CNTs作为正极电子导体各有优劣，有研究者将两种导电剂相结合后发现，全固态电池的初始放电比容量和循环稳定性都得到了提高，比之前两种导电剂单独使用时的容量均高许多。这是由于其中AB可以填充在颗粒间隙，增加压实密度，而CNTs在一定范围长程导电，二者结合起来发挥各自优势从而提高全固态电池的循环性能。
填料粉体
固态聚合物电解质中，PEO由于具有安全性好、成本低、易制备、能量密度高、电化学稳定性好、与锂盐相容性好等优点，已成为了固态电解质的研究焦点，但是其离子电导率低，无法满足实际应用要求。
无机陶瓷填料的添加除了可以降低PEO的结晶度，增加其非晶区域所占比例外，还可以通过与PEO和锂盐相互作用，间接或直接实现对锂离子迁移率的影响，进而提高PEO固态聚合物电解质的离子电导率。
小结
全固态电池中的核心材料——固态电解质以及正负极材料绝大多数都是粉体形态；为提高材料导电性和离子电导率而添加的各种导电剂、无机填料等也都是粉体。同时，各种电解质、电极以及导电剂、填料等粉体材料通过复合来提升固态电池的性能。此外，正极前驱体、新型金属锂负极、包覆改性用材料等大多也都是粉体。
参考来源：
陈凯等：体型无机全固态锂离子电池研究进展
孙丽媛等：三元正极材料与无机固态电解质复合正极材料的研究进展
宋洁尘等：全固态锂离子电池的研究进展与挑战
陈龙等：全固态锂电池关键材料—固态电解质研究进展
关尚升等：全固态电池用硫系玻璃电解质材料研究进展
李静等：固态锂离子电解质的研究进展
许晓雄等：全固态锂电池技术的研究现状与展望
陈昱锜：固态锂电池用金属锂负极的改性研究
曹毅：基于硫化物固体电解质的固态锂电池界面改性及其性能研究
