【会议报告】全固态电池关键材料及技术研究进展


来源:中国粉体网   文正

[导读]  中国粉体网将于12月20-21日在常州举办第四届高比能固态电池关键材料技术大会,届时,中科院物理所博士生导师、中国科学院大学教授吴凡将作题为《全固态电池关键材料及技术研究进展》的报告。

中国粉体网讯  全固态锂电池由于其高安全性和高能量密度被广泛认为是下一代储能器件的关键技术,而在实现全固态电池的聚合物、氧化物、硫化物三条技术路线中,硫化物固体电解质由于拥有最高的锂离子电导率和良好的机械性能而成为最有潜力的技术方向之一。


1、硫化物固态电解质发展历程


在聚合物、氧化物、硫化物三类固态电解质中,硫化物固态电解质有着最高的离子电导率。所以,硫化物固态电解质成为以丰田为代表的各类企业及机构的研究热点。


图1硫化物固态电解质发展历程


上世纪八九十年代,以Li2S·P2S5为代表的玻璃态硫化物固态电解质被开发出来,随后第一个晶态的硫化物固体电解质Li3.25Ge0.25P0.7S4在2001年被东京工业大学的学者发现。2005年,大阪府立大学的学者合成了玻璃陶瓷电解质Li7P3S11,2008年德国锡根大学的学者发现了硫银锗矿型的Li6PS5X(X=Cl,Br,I)。2011年东京工业大学的学者合成出Li10GeP2S12,其电导率到达了1.2×10–2Scm–1,这一数值已经可以与有机电解液的离子电导率相比。


2、硫化物固态电解质分类


硫化物固态电解质通常以晶体结构划分为玻璃态、玻璃陶瓷态和晶态。其中,Li3.25Ge0.25P0.7S4属于thio-LISICON型硫化物固态电解质,Li6PS5X(X=Cl,Br,I)属于Li-argyrodite型固态电解质,Li10GeP2S12属于LGPS型固态电解质。


图2硫化物固态电解质分类


玻璃态硫化物固态电解质通过机械球磨或高温熔融后快速冷却的方法获得,在XRD表征下没有明显的峰。玻璃陶瓷类硫化物固态电解质通常为球磨后经过一步低温烧结后获得,属于玻璃态和晶态混合的亚稳相,在XRD表征下有少量的峰。晶态硫化物固态电解质一般通过高温烧结制成,有明确的晶体结构与XRD峰。研究表明,玻璃态固态电解质主要由正硫代磷酸盐,焦磷酸盐,偏硫代磷酸盐,次硫代磷酸盐四类微小晶体构成,其传导离子的机理尚不十分明确。


晶态的硫化物固态电解质通常经过高能球磨后高温烧结获得,也有部分研究采用高能球磨、研磨后烧结及液相法制备得到。晶态的硫化物固态电解质按晶体结构主要分为thio-LISICON型、Li-argyrodite型和LGPS型。这三种类型的电解质都有具体的晶体结构和锂离子传输通道,其结构组成和离子迁移机理都较为明确。


目前主要的硫化物固态电解质种类及性能按晶体结构分类总结如表1。其中,晶态的硫化物固态电解质拥有最高的离子电导率,在冷压的粉体中离子电导率最高的种类为2019年加拿大学者发现的Li-argyrodite型固态电解质Li6.6Si0.6Sb0.4S5I,其粉体离子电导率为14.8mScm–1,而烧结的块体中离子电导率最高的为日本学者在2016年发现的LGPS型固态电解质Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3,其块体离子电导率达到了25mScm–1,为目前所有锂离子快离子导体中的最高值。


表1几种典型硫化物固态电解质的离子电导率


3、硫化物固态电解质存在的问题


硫化物固态电解质相对较高的室温离子电导率使得其成为固态电池重要的备选材料。进一步提高硫化物固态电解质稳定性是发挥其在离子电导率方面优势的关键。硫化物固态电池内部存在的界面问题制约着其应用。常见的界面问题如表2所示,界面问题的存在使得硫化物全固态电池极化严重、容量低、循环能力差等问题更加突出。


表2硫化物固态电解质常见界面问题


硫化物固态电池界面问题的深入认识和研究需要采用先进的表征方法。目前较普遍的表征方法包括扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)及核磁共振(NMR)等。但随着对硫化物固态电解质存在问题及机理的进一步研究,目前针对离子电导率进一步提升和正/负极界面问题,相关领域的研究学者不断提出基于原位的综合表征方法和有效的解决方案,推动着硫化物全固态电池的应用。


4、硫化物全固态电池


图3a.传统的锂离子电池结构示意图b.硫化物全固态电池结构示意图


硫化物全固态电池的基本结构如图3所示,由固态电解质颗粒取代了商业化锂电的电解液与隔膜,由于离子电导率高且颗粒较软,硫化物电解质在制备成电池时不需要额外的烧结步骤,所以适合采用涂布法生产,其生产工艺与现有的液态电池生产工艺没有很大的差异。但为了改善电池的界面接触,通常需要在涂布后进行多次热压以及添加缓冲层来改善界面接触。


由于硫化物全固态电池还没有实现商业化,表3为近年来部分高校与科研单位研制的硫化物全固态电池结果,表中有电池体系、工作温度以及电池的循环性能。由于目前各实验室内的全固态电池在正极活性物质/固态电解质配比,固态电解质层厚度以及电池组装方法上都有较大差异,因此实验结果仅有部分参考价值。从表中可以看出,目前硫化物全固态电池的实验室产品循环性能较差,大部分都在100圈以下,界面处理、电池组装工艺以及固态电解质本身都需要进一步优化。


表3部分硫化物全固态电池性能


以上是对硫化物全固态电池相关研究的简要介绍。固态电池是公认的具有良好应用前景的电池技术,作为核心技术的固态电解质以及相匹配的正负极材料,是现在各大科研院所、企业研发部门技术攻关的重点。固态电池技术处于什么阶段?商用市场已达到怎样的规模?产业链涉及到哪些领域?这些问题受到业内人士普遍关注。


在此背景下,中国粉体网将于12月20-21日在常州举办第四届高比能固态电池关键材料技术大会,为致力于固态电池技术开发的企业,科研院校,以及电动车、储能、特种应用等终端企业提供信息交流的平台,开展产、学、研合作,共同推动行业发展。届时,中科院物理所博士生导师、中国科学院大学教授吴凡将作题为《全固态电池关键材料及技术研究进展》的报告。报告将重点介绍硫化物全固态电池的关键基础科学问题和应用化开发难题,探讨其团队在此领域的研发进展。



专家简介:


吴凡,中科院物理所博士生导师、中国科学院大学教授。2007-2011年,浙江大学材料学学士;2011-2014年,美国北卡州立大学材料学博士;2014-2016年,普林斯顿大学博士后;2016-2018哈佛大学研究员。2019年1月起任中科院物理所博导,中国科学院大学教授,长三角研究中心科学家工作室主任。入选国家海外高层次人才引进计划、中科院海外杰出人才引进计划及择优支持、江苏省杰出青年基金。获全国未来储能技术挑战赛一等奖;全国青年岗位能手(共青团中央);中国科学院物理研究所“科技新人奖”;江苏青年五四奖章;江苏青年双创英才;江苏青年U35攀峰奖;常州市五一劳动奖章、突出贡献人才、十大杰出青年、十大科技新锐;华为优秀创新人才奖及创新探索团队奖;年度新能源领域最受关注研究工作等。任中国能源学会副主任,中国共产党江苏省党代会党代表,中国青科协会员,江苏省青科协理事,江苏省青年科学家年会执委会副秘书长,常州市青联常委等。


参考来源:

张卓然等.硫化物全固态电池的研究及应用

秦志光等.硫化物固态电解质在全固态电池中的应用研究进展


(中国粉体网编辑整理/文正)

注:图片非商业用途,存在侵权告知删除!

推荐3

作者:文正

总阅读量:3570661

相关新闻:
网友评论:
0条评论/0人参与 网友评论

版权与免责声明:

① 凡本网注明"来源:中国粉体网"的所有作品,版权均属于中国粉体网,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已获本网授权的作品,应在授权范围内使用,并注明"来源:中国粉体网"。违者本网将追究相关法律责任。

② 本网凡注明"来源:xxx(非本网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。

③ 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起两周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

粉体大数据研究
  • 即时排行
  • 周排行
  • 月度排行
图片新闻