中國粉體網(wǎng)訊  鋰離子電池固態(tài)化在大幅提高安全性的同時可兼具高能量和高功率密度，在電動車、國防等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。研究重點(diǎn)之一是固態(tài)電解質(zhì)，其中硫化物固態(tài)電解質(zhì)由于具有最高的離子電導(dǎo)率、較好的機(jī)械延展性以及與電極良好的界面接觸等優(yōu)點(diǎn)，成為最具潛力的技術(shù)方向。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)

硫化物合成溫度低，機(jī)械延展性優(yōu)良，界面接觸良好，且離子電導(dǎo)率最高，已超過商用電解液的水平(如Li_3.25Ge_0.25P_0.75S₄，Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS)和Li_9.54Si_1.74P_1.44S_11.7Cl_0.3(LSiPSCl)的室溫鋰離子電導(dǎo)率分別達(dá)到了2.2、12.0和25.0m·S/cm)。所以成為近年來固態(tài)電解質(zhì)的研究熱點(diǎn)。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率

硫化物固態(tài)電解質(zhì)的缺點(diǎn)

硫化物固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性差、空氣穩(wěn)定性差。電化學(xué)穩(wěn)定性差直接限制了其在高能量密度(高工作電壓正極、鋰金屬負(fù)極)動力電池中的應(yīng)用�？諝夥�(wěn)定性差使得其易與空氣中的H₂O反應(yīng)生成H₂S，而降低電解質(zhì)的使用壽命。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)制備方法

硫化物的制備方法主要有三種:

①熔融法

將起始原料按一定的化學(xué)計(jì)量比混合均勻得到初料，初料經(jīng)過高溫處理使材料熔融，熔融材料驟冷后得到玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)，通過結(jié)晶玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)可以進(jìn)一步得到玻璃陶瓷態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)。

②高能球磨法

以高能球磨處理混合后的起始原料，球磨一定時間后得到玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)，析晶后可以得到玻璃陶瓷態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)。

③液相法

將一定化學(xué)計(jì)量比的起始原料加入到有機(jī)溶劑中，將混合物在一定溫度下攪拌，通過離心或旋蒸法從中分離出反應(yīng)后的溶質(zhì)，在一定溫度下干燥，得到玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料，進(jìn)一步結(jié)晶得到玻璃陶瓷態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性改善研究

為解決硫化物固態(tài)電解質(zhì)易與水反應(yīng)生成H₂S的問題，用氧化物L(fēng)i₂O、P₂O₅、ZnO、Fe₂O₃、Bi₂O₃和鹵化物L(fēng)iI對LPS體系進(jìn)行取代或摻雜，可提高材料的空氣穩(wěn)定性，降低H₂S的產(chǎn)生。

Ohtomo等比較了不同制備方法和Li₂O的取代Li₂S的量對xLi₂O(100-x)(0.7Li₂S_0.3P₂S₅)(mol%)(x=17,20and25)材料H₂S產(chǎn)生情況和電導(dǎo)率進(jìn)行了探究。結(jié)果表明Li₂O的取代有助于降低H₂S的產(chǎn)生，兩步法抑制H₂S的效果更好。

Hayashi等探究了P₂O₅取代P2S5及在體系中增加ZnO對H₂S產(chǎn)生量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明部分的P₂O₅取代P2S5有助于抑制H₂S產(chǎn)生。在Li2S-P2S5-P2O5體系上再增加ZnO，抑制H₂S生效果更好。

金屬氧化物ZnO､Fe₂O₃､Bi₂O₃具有負(fù)的吉布斯自由能，能與H₂S發(fā)生反應(yīng)。將金屬氧化物添加到75Li₂S₂5P₂S₅體系中，可提高材料在干燥O₂、N₂環(huán)境下的穩(wěn)定性，抑制H₂S的產(chǎn)生。

由中國粉體網(wǎng)舉辦的“2019高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)研討會暨第三屆能源顆粒材料制備及應(yīng)用技術(shù)高峰論壇”，屆時我們將邀請來自中國科學(xué)院物理研究所的吳凡研究員作《應(yīng)用于全固態(tài)電池的硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料》報(bào)告，帶來更多關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)的精彩內(nèi)容，期待您的到來。

專家簡介

吳凡

中國科學(xué)院物理研究所“百人計(jì)劃I類”特聘研究員，博士生導(dǎo)師。

2011年獲浙江大學(xué)材料學(xué)學(xué)士學(xué)位，2014年獲美國北卡州立大學(xué)材料學(xué)博士學(xué)位，2014-2016年在普林斯頓大學(xué)開展博士后研究，2016-2018年在哈佛大學(xué)從事博士后及Research Scientist工作。主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)能源材料（包括儲能和能源轉(zhuǎn)換兩方面）。應(yīng)用方向包括鋰離子電池、全固態(tài)鋰金屬電池、壓電傳感器等。于2019年1月正式入職中國科學(xué)院物理研究所清潔能源實(shí)驗(yàn)室（北京）。在中科院物理所長三角研究中心（江蘇溧陽）、天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院（江蘇溧陽）成立科學(xué)家工作室。目前主要研究方向?yàn)槿�固態(tài)電池及固態(tài)電解質(zhì)的基礎(chǔ)科學(xué)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究。擔(dān)任Bentham科學(xué)出版社《Nanoscience & Nanotechnology-Asia》雜志高級策劃編輯，以及PiscoMed科學(xué)出版社《Composite Materials Research》雜志和Elsevier出版社《Data in Brief》雜志的編委會委員。主持并負(fù)責(zé)國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)，中科院百人計(jì)劃研究項(xiàng)目1項(xiàng)，天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院科學(xué)家工作室研究項(xiàng)目1項(xiàng)，橫向合作項(xiàng)目1項(xiàng)。參與國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目-汽車聯(lián)合基金1項(xiàng)。

參考來源：

劉麗露.硫化物固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)穩(wěn)定性研究進(jìn)展

劉魯靜.全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)進(jìn)展及現(xiàn)狀

葉明.硫化物固態(tài)電解質(zhì)的研究進(jìn)展

李利.硫化物固態(tài)電解質(zhì)的研究進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）

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