中國粉體網(wǎng)訊 全固態(tài)鋰電池由于其高安全性和高能量密度被廣泛認(rèn)為是下一代儲能技術(shù)的關(guān)鍵。固體電解質(zhì)可分為聚合物固體電解質(zhì)、無機固體電解質(zhì)兩大類。其中無機固體電解質(zhì)又包括：硫化物固體電解質(zhì)、氧化物固體電解質(zhì)、鹵化物固體電解質(zhì)等。
1、聚合物固體電解質(zhì)
聚合物固體電解質(zhì)，也被稱為離子導(dǎo)電聚合物，主要由高分子量的聚合物和鋰鹽組成。盡管聚合物固體電解質(zhì)在離子電導(dǎo)率上并不出色，但是和無機固體電解質(zhì)相比在柔韌性和界面相容性上有一定優(yōu)勢。此外，聚合物固體電解質(zhì)制備方法更加簡便，適合規(guī)�；a(chǎn)。在聚合物固體電解質(zhì)中，聚合物不但要提供支撐骨架和離子傳遞介質(zhì)，而且要對鋰鹽有良好的溶解能力，使鋰鹽在高分子骨架中易于解離和擴散。為提高聚合物固體電解質(zhì)體系中鋰離子的遷移速率，通常選擇晶格能較低、陰離子電荷離域程度高和離散常數(shù)高的鋰鹽。
2、氧化物固體電解質(zhì)
氧化物固體電解質(zhì)材料具有安全性能高、穩(wěn)定性良好、成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點，是儲能應(yīng)用的研究熱點。氧化物固體電解質(zhì)主要包括NASICON型結(jié)構(gòu)氧化物電解質(zhì)、石榴石結(jié)構(gòu)氧化物電解質(zhì)和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物電解質(zhì)。
NASICON型結(jié)構(gòu)固體電解質(zhì)制備工藝簡便，易于加工處理，對空氣穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能良好，是一類重要的氧化物固體電解質(zhì)材料。常見的NASICON型結(jié)構(gòu)固體電解質(zhì)根據(jù)化學(xué)組成可分為LiZr2（PO4）3（LZP），LiTi2（PO4）3（LTP）和LiGe2（PO4）3（LGP）。其中，LTP和LGP的離子電導(dǎo)率明顯高于LZP，為近年來主要研究的NASICON型氧化物固體電解質(zhì)體系。
石榴石結(jié)構(gòu)固體電解質(zhì)Li7La3Zr2O12（LLZO）具有良好的離子傳輸性能。除具有氧化物固體電解質(zhì)一貫的穩(wěn)定性優(yōu)點外，還表現(xiàn)出遠(yuǎn)優(yōu)于其他種類氧化物固體電解質(zhì)的對鋰金屬穩(wěn)定性，因此其在固態(tài)電池應(yīng)用中極具潛力。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固體電解質(zhì)的通式為Li3xLa2/3-xTiO3（LLTO）。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固體電解質(zhì)電導(dǎo)率較高，熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能良好，但制備溫度較高。
3、硫化物固體電解質(zhì)
硫化物固體電解質(zhì)是由氧化物固體電解質(zhì)衍生而來的，氧化物電解質(zhì)中的氧被硫取代即為硫化物電解質(zhì)。其化學(xué)式可寫成Lix（Ay）PzSq，其中，A通常為Ge、Sn、Si等元素，x、y、z、q是相應(yīng)的化學(xué)計量數(shù)。硫化物固體電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率與有機液態(tài)電解質(zhì)不相上下，在室溫下通常為10-4S/cm-10-2S/cm。這是由于S2-的電負(fù)性小于O2-，故S2-對于Li+的束縛能力較小。S2-的半徑較大，所以其參與構(gòu)成的骨架擁有較大的Li+通道，更有利于獲得自由移動的Li+。另外，硫還可以與主族元素通過共價鍵相連，增強鋰的穩(wěn)定性。硫化物固體電解質(zhì)可分為兩大體系，分別為LPS和LGPS。其中，LPS有玻璃態(tài)和玻璃陶瓷態(tài)，LGPS為晶態(tài)。常見的制備方法有熔融法、高能球磨法及液相法等。
4、鹵化物固體電解質(zhì)
鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)在室溫下的離子電導(dǎo)率能達(dá)到10−3S·cm−1，且理論離子電導(dǎo)率可達(dá)10−2S·cm−1量級。鋰離子電池中的鹵化物電解質(zhì)源于在鹵化鋰LiX (X = Br、Cl、F)中引入高價態(tài)的過渡金屬元素陽離子，調(diào)節(jié)Li+及空位濃度進而形成類似Lia-M-Xb類化合物，通過調(diào)控不同鹵族元素陰離子的組分特性，此類化合物中陰離子骨架一般具有較大的極化率，且與鋰離子的相互作用較弱。理論模擬結(jié)果表明，相比其他固態(tài)電解質(zhì)，鹵化物一般具有較高的氧化還原電位(氯化物>4V vs.Li/Li+、氟化物>6 V vs.Li/Li+)，與高壓正極材料具有更好的兼容性，可以實現(xiàn)在高電壓窗口下的穩(wěn)定循環(huán)。
5、隔膜
隔膜雖然并不實際參與鋰離子電池的能量轉(zhuǎn)化過程，但其仍然成為決定電池性能的關(guān)鍵材料之一。從電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)原理看，隔膜的電子阻隔作用是化學(xué)電源成立的必要條件；而從實際應(yīng)用層面看，隔膜是防止電池?zé)崾Э�，決定電池安全性能的重要環(huán)節(jié)。
更為重要的是，隔膜存在于正、負(fù)極之間，內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)中還保持電解液，因此，可以通過成分功能化和結(jié)構(gòu)功能化的化學(xué)/電化學(xué)活性功能隔膜材料，對電極、電解液等電池活性成分的性能進行優(yōu)化，這些研究工作擴大了功能隔膜研究的外延與內(nèi)涵。
對于隔膜材料而言，除了在電池全生命周期過程中始終有效阻隔正、負(fù)極實現(xiàn)被動安全機制外，更需要針對高比容量正/負(fù)極、高電壓正極材料等材料體系以及快充、極端溫度等工況場景，發(fā)展具有溫度響應(yīng)、電壓響應(yīng)等主動安全策略并可輔助提升電極、電解液性能的新型功能隔膜。
面對這些高安全、高比能的要求，未來鋰離子電池隔膜的重要發(fā)展方向有：
① 通過基材選擇和工藝改善，減小隔膜厚度同時平衡機械性能；
② 通過有機-無機復(fù)合涂層的設(shè)計，制備高耐熱、阻燃、高遷移數(shù)等多功能耦合的高品質(zhì)隔膜；
③ 在生態(tài)文明建設(shè)背景下，進一步發(fā)展環(huán)保型水系涂層材料和工藝。需要指出的是，鋰離子電池實際是將能量轉(zhuǎn)換過程耦合在高度可逆的電化學(xué)反應(yīng)中的一個系統(tǒng)，其綜合性能的提升也是一項系統(tǒng)工程。因此，功能隔膜的研發(fā)需要注重對鋰離子電池的材料特性、反應(yīng)過程等基礎(chǔ)科學(xué)問題的準(zhǔn)確理解。
針對固態(tài)電池相關(guān)的技術(shù)、材料、市場及產(chǎn)業(yè)等方面的問題，中國粉體網(wǎng)將在昆山舉辦第五屆高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)大會。為致力于固態(tài)電池技術(shù)開發(fā)的企業(yè)，科研院校，以及電動車、儲能、特種應(yīng)用等終端企業(yè)提供信息交流的平臺，開展產(chǎn)、學(xué)、研合作，共同推動行業(yè)發(fā)展。屆時，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員張濤將作題為《固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料開發(fā)及界面應(yīng)用技術(shù)研究》的報告。報告主講人將圍繞固態(tài)鋰電池固態(tài)電解質(zhì)材料和功能性隔膜的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進展進行匯報，同時涉及這些關(guān)鍵材料的電池界面應(yīng)用技術(shù)研究。
專家簡介：
張濤，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員，博士生導(dǎo)師，能源材料研究中心副主任。國家WR計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。英國皇家化學(xué)會會士。2007年博士畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，2008年開始先后在日本國立三重大學(xué)和日本國立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所從事新能源材料及其在動力和儲能電池中的應(yīng)用研究，主要研究方向包括固態(tài)鋰電池及其相關(guān)固態(tài)電解質(zhì)、金屬空氣電池、鈉離子電池、碳基復(fù)合電極材料、新型儲能材料與電池等。2021年度以來連續(xù)入選科睿唯安全球“高被引科學(xué)家”榜單。
參考來源：
趙俊凱等.鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)的研究進展
王豐玥等.全固態(tài)鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)的研究進展
陳帥等.鹵化物固態(tài)電解質(zhì)研究進展
張鵬等.鋰離子電池功能隔膜的研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）
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