中國粉體網訊 硫化物固態(tài)電解質是全固態(tài)鋰電池的一個重要方向。硫化物固態(tài)電解質可以加工成多種形式(如玻璃、玻璃陶瓷和晶體等),并具有良好的化學成分可調性和機械加工性。然而,目前硫化物固態(tài)電解質遇到的挑戰(zhàn)包括:大規(guī)模合成高品質粉體,提升電解質/電極膜的一致性,以及全固態(tài)電池中電極與界面的匹配。
由于金屬鋰、硫化鋰都不穩(wěn)定,加工良品率低,所以如何實現(xiàn)硫化物固態(tài)電解質的低成本宏量制備是一大挑戰(zhàn)。目前常用的制備方法包括熔融冷萃法、球磨法(固相反應法)和液相化學反應法。熔融冷萃和球磨法受限于高熔融溫度或長研磨時間,仍需要改進以適用大規(guī)模生產。液相化學反應法可減少生產時間和成本,然而溶劑的選擇仍具有挑戰(zhàn)性。盡管上述合成方法存在困難和挑戰(zhàn),日本的Mitsui Kinzoku和韓國的POSCO已建立硫化物電解質的試制線,年產量將分別達到10噸和24噸,證明了硫化物固態(tài)電解質規(guī)模生產的可行性。
硫化物固態(tài)電解質與電極之間會形成正極-電解質界面(CEI)和固體電解質界面(SEI),這些中間界面會阻礙Li+傳導,導致阻抗增加和容量衰減。目前,第一原理計算已經預測了活性材料和固態(tài)電解質的每種組合的可能產生的中相間界面,但由于界面反應是動力學現(xiàn)象,僅使用第一原理計算難以完全理解這些現(xiàn)象,比如復雜的界面現(xiàn)象以及界面對電池性能的影響等,因此必須定量地評估這些效果,才能更好的解決界面分解問題。
由于活性材料的膨脹和收縮以及固體電解質分解,復合電極易發(fā)生機械降解。液體電解質可以補償由充電和放電反應引起的活性材料的體積變化,而固態(tài)電解質無法自適應體積變化,應力隨充電和放電循環(huán)而累積,并且活性材料/固態(tài)電解質和活性材料/集流體界面會發(fā)生分層,導致復合電極內部產生裂紋:(1)離子和/或電子傳導路徑的彎曲度增加;(2)活性材料/SE界面處的接觸面積減;(3)活性材料和固態(tài)電解質的分離,導致阻抗增加和容量衰減。常用解決機械降解問題的主要方法是在反應期間使固態(tài)鋰電池加壓,壓力可以在一定程度上抑制裂紋的形成,但會增加成本且可能造成短路現(xiàn)象;另一種有效策略是使用具有小體積變化率的活性材料(如Li4Ti5O12)。
針對固態(tài)電池相關的技術、材料、市場及產業(yè)等方面的問題,中國粉體網將在昆山舉辦第五屆高比能固態(tài)電池關鍵材料技術大會。為致力于固態(tài)電池技術開發(fā)的企業(yè),科研院校,以及電動車、儲能、特種應用等終端企業(yè)提供信息交流的平臺,開展產、學、研合作,共同推動行業(yè)發(fā)展。屆時,西北工業(yè)大學孔龍教授將作題為《硫化物固態(tài)電解質及全固態(tài)電池的研發(fā)》的報告。報告將從高品質、大批量合成硫化物固態(tài)電解質,硫化物固態(tài)電解質在全固態(tài)電池中的應用以及遇到的挑戰(zhàn)進行匯報,并從材料和電芯角度的思考與設計方案展開介紹。
專家簡介:
孔龍,西北工業(yè)大學,教授/博導。2010/2013年獲得中南大學學士/碩士學位,2016年在東京工業(yè)大學獲得博士學位。在清華大學(2016~2019)和南方科技大學(2019~2021)學習工作后,于2021年入職西北工業(yè)大學。研究領域包括固態(tài)電解質及固態(tài)電池,高比能鋰硫電池,低溫鋰電池電解液結構設計。
參考來源:
Advanced Characterization Techniques for Sulfide-Based Solid-State Lithium Batteries.
固態(tài)電池及電解質研究.投資人學習筆記
(中國粉體網編輯整理/蘇簡)
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