中國粉體網(wǎng)訊 固態(tài)電池正極一般采用復合電極,包括電極活性物質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)和導電劑(協(xié)助傳輸離子和電子)。固態(tài)電池正極材料與傳統(tǒng)鋰電池兼容,可使用正極材料包括鈷酸鋰(LCO)、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰(LFP)、三元正極材料(LiNi(1-x-y)CoxMnyO2,0<x,y<1)。目前為了進一步提高固態(tài)電池的能量密度及電化學性能,新型高能量正極也在被積極的研究和開發(fā)。固態(tài)電解質(zhì)電化學窗口寬,可耐受電壓高,可與高電壓正極材料組裝固態(tài)金屬鋰電池。
其實固態(tài)電池正極材料的問題的實質(zhì)是正極材料與固體電解質(zhì)之間的界面問題,如何解決這個問題?研究者們也是絞盡腦汁。
以石榴石型固體電解質(zhì)為例,其具有高的彈性模量,導致電解質(zhì)/正極接觸面積較小,并在界面處形成一定的結(jié)構(gòu)缺陷(如:空隙、裂紋),制約了鋰離子在界面上的傳輸速率,形成了高的界面阻抗。另外,電池在充放電循環(huán)過程中,電極材料與固體電解質(zhì)自身結(jié)構(gòu)的變化和界面區(qū)域第三相的形成,導致界面處產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)應力,隨著循環(huán)的進行,應力累加使界面斷裂、分離,最終導致固態(tài)電池失效。目前研究的解決辦法有以下幾種:
薄膜電極
薄膜電極是使用薄膜沉積技術(shù),如PLD和磁控濺射等將正極層生長在固態(tài)電解質(zhì)一側(cè),在另一側(cè)復合金屬鋰負極,在電池中正極層與電解質(zhì)層的界面接觸較好。
但是該方法制備正極時需要進行高溫熱處理,電解質(zhì)與正極材料的元素擴散能力和化學反應活性增強,容易發(fā)生界面反應和元素互擴散,形成高界面電阻層,導致固態(tài)電池性能變差。因此,需要在正極與固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)合處進行界面修飾。
采用薄膜沉積制備全固態(tài)鋰離子電池的正極層,其活性物質(zhì)含量較少,導致電池整體容量和比能量偏低,且所采用的PLD和磁控濺射等技術(shù)成本較高。因此,基于復合正極制備高容量、低成本和可規(guī)模化的體型全固態(tài)鋰離子電池,具有更加廣闊的應用前景。
涂覆電極
參照液態(tài)電解質(zhì)基電池的正極制備方法,在固態(tài)電池中,將正極活性材料、有機聚合物和鋰鹽構(gòu)成的聚合物電解質(zhì),以及電子導體等材料混合均勻制備漿料,涂覆在LLZO陶瓷片表面,構(gòu)筑復合正極。
聚合物電解質(zhì)的加入,可以實現(xiàn)電極/電解質(zhì)界面的緊密接觸,同時形成連續(xù)的鋰離子傳輸通道。高電子導體如碳黑等的加入,可以提供快速電子傳輸通道。因此,采用漿料涂覆技術(shù)可以提高正極材料與固態(tài)電解質(zhì)間的物理接觸面積,縮短鋰離子在界面處的遷移距離,從而減小界面電阻,提高固態(tài)電池的整體性能。
聚合物界面層
采用聚合物電解質(zhì)構(gòu)筑固態(tài)電池復合正極,除了與正極活性材料混合外,還可以制備“三明治”結(jié)構(gòu)的復合正極,即采用漿料涂覆方法先制備出正極,然后將聚合物電解質(zhì)層插入正極層和固態(tài)電解質(zhì)層中間。
高溫燒結(jié)電極
高溫固相燒結(jié)是制備體型全固態(tài)電池的有效方法,可以實現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)與正極材料的緊密結(jié)合。缺點是高溫熱處理極易導致界面處發(fā)生元素互擴散和界面反應,形成高界面電阻層。
解決辦法是在燒結(jié)過程中加入低熔點固態(tài)電解質(zhì),這樣不僅可以避免復合正極內(nèi)部活性材料和固態(tài)電解質(zhì)發(fā)生元素互擴散和界面反應,同時能起到粘結(jié)作用,增強界面結(jié)合力,增加電極致密度。
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專家介紹
連芳,北京科技大學材料科學與工程學院無機非金屬材料系教授、博士生導師,主要從事無機生態(tài)材料和新能源材料的制備和性能研究。2008年入選北京市“科技新星”計劃。2009年增補為科技部能源材料領(lǐng)域?qū)<,在Journal of Membrane Science, Journal of Alloys and Compounds等期刊發(fā)表科研論文40余篇,其中SCI、EI收錄21篇;獲得發(fā)明專利7項。先后主持和參加國家863計劃1項、國家自然基金1項、國家科技支撐計劃3項及省市級橫向課題多項。
參考來源:
田桂麗.固態(tài)鋰電池發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)進展
李棟.全固態(tài)鋰離子電池正極與石榴石型固體電解質(zhì)界面的研究進展
郭現(xiàn)偉.石榴石型全固態(tài)鋰離子電池復合正極研究進展
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉)
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