【会议报告】氧化物固体电解质与固态电池研究进展


来源:中国粉体网   乔木

[导读]  针对固态电池相关的技术、材料、市场及产业等方面的问题,中国粉体网将于2024年9月5-6日在常州举办第六届高比能固态电池关键材料技术大会。

中国粉体网讯  固态电池的发展日益受到关注,特别是其中的电解质,已经成为研究的重点。目前,电解质在固态电池中的作用类似于隔膜,通过薄膜形式分隔正负极。根据电解质的种类,可分为氧化物、硫化物、聚合物三种路线。其中,氧化物电解质机械强度高、热稳定性和空气稳定性好、电化学窗口宽,综合性能最好,目前发展速度最快。


根据电解质晶体结构,氧化物电解质可以分为钙钛矿结构型(如LLTO)、石榴石结构型(如LLZO)、快离子导体型(LISICON、NASICON)等。其中,钙钛矿型LLTO电解质材料的本征离子电导较高,但稳定性相对较差;石榴石型LLZO电解质离子电导较高,稳定性好,受到广泛关注;钠快离子导体结构的LATP的电化学窗口较高,被认为是高电压固态电池的理想电解质;锂快离子导体结构电解质通过硫代方式得到的LGPS具有接近于液态电解质的电导率。


氧化物电解质耐受高电压,分解温度高,机械强度好,但由于氧化物本身的材料特性,也存在刚性强、易碎等缺点,尤其是电极和电解质界面接触能力较差,造成循环过程中界面稳定性较差,导致循环过程中界面阻抗迅速增加。因此,氧化物固体电解质往往需要添加一些聚合物成分并与微量离子液体/高性能锂盐-电解质混合来使用。


目前氧化物固体电解质的烧结路径主要分为固相和液相两种方式。


固相方式主要通过高温烧结,具有流程简单、易于大批量合成的优点,但存在能耗较高、易于生成第二相的缺点。液相合成固体电解质的方法主要为溶胶凝胶法和共沉淀法。以使用溶胶凝胶法合成LLZO为例,首先将所需前驱体完全溶解在溶液中,通过加热搅拌等方式将溶液凝胶化,最终在高温下进行煅烧以获得LLZO。溶胶凝胶法能够合成粒径较小的LLZO,并且所需温度较固相法更低,但流程比较复杂,并且所需原材料的价格较为昂贵,难以合成大量LLZO,因此不适用于产业化大规模生产。此外,激光脉冲沉积、磁控溅射法等方法也被用来制备固体电解质,但是存在制备路径复杂、难以大量制备等问题。


产业化方面,在氧化物固体电解质粉体中,LATP、LLZO以及LLTO已实现吨级以上制备。青岛大学郭向欣团队在中试线将氧化物固体电解质(如LLZO、LATP)粉体应用于固液混合电池,成功组装出5~12Ah软包电池。


综合来看,尽管氧化物固体电解质的热稳定性好、离子电导率高,但是界面、成本以及电化学性能等问题阻碍了其作为单一电解质的商业化应用。而氧化物固体电解质对聚合物电解质和电解液的稳定性较好,因此,将其与聚合物复合或制备固液混合电解质等方案被行业广泛采用。


针对固态电池相关的技术、材料、市场及产业等方面的问题,中国粉体网将于2024年9月5-6日常州举办第六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,来自青岛大学郭向欣教授将作题为《氧化物固体电解质与固态电池研究进展》的报告。




专家简介:


郭向欣,青岛大学教授,博士生导师。青岛市“高性能固体电解质与固态锂电池”研究中心和山东省固态电池工程实验室主任。入选上海市“浦江人才”、青岛市“创业创新领军人才”。主要从事于高性能固态电解质研发与全固态金属电池应用研究,并参与行业最早的两项固态电解质团体标准的制定和发布。近年主持、参与国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划和企业技术委托项目等10余项。前期研究已在高离子电导固态电解质设计、金属/固态电解质界面微结构设计等关键领域取得了丰富的学术成果,近五年来在Naturecommunications,Energy&EnvironmentalScience,ACSEnergyLetters,AdvancedEnergyMaterials,NanoLetters,NanoEnergy等权威刊物发表论文60余篇,他引逾2000次。


参考来源:

1.陈昕等《当前固体电解质与固态电池技术成熟度分析》

2.中银国际《固态电池系列报告之二 技术路线多元发展,产业化落地加速》


(中国粉体网编辑整理/乔木)

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