中國(guó)粉體網(wǎng)訊 石榴石型固體電解質(zhì)即Garnet 型固體電解質(zhì),石榴石型的鋰鑭鋯氧(Li7La3Zr2O12(LLZO))固態(tài)電解質(zhì)最早于2007年由Weppner教授公開(kāi)報(bào)道,至今已有16年,在氧化物里邊還是屬于比較年輕的一種材料,從這也可以看出一種材料從研發(fā)到應(yīng)用的過(guò)程是漫長(zhǎng)的。
LLZO固體電解質(zhì)具有很多優(yōu)點(diǎn),比如高離子電導(dǎo)(室溫下約10-3S/cm)、高電化學(xué)穩(wěn)定性和對(duì)正極材料及鋰金屬負(fù)極良好的化學(xué)穩(wěn)定性,所以受到大家普遍的關(guān)注,是當(dāng)前最具應(yīng)用前景的固態(tài)電解質(zhì)材料之一。
但是通過(guò)深入的研發(fā),發(fā)現(xiàn)這種材料存在表界面穩(wěn)定性的問(wèn)題,在全固態(tài)電池的應(yīng)用中,比較剛性,存在界面阻抗較高、庫(kù)倫效率低、放電比容量低、倍率性能差、循環(huán)性能差等問(wèn)題。若要用好這種材料,還要結(jié)合應(yīng)用的需求,揚(yáng)長(zhǎng)避短。
氧化鋯在LLZO固態(tài)電解質(zhì)中的應(yīng)用
① 半固態(tài)電池:鋰鑭鋯氧要在隔膜上進(jìn)行涂覆,1GWh半固態(tài)電池需要消耗240噸鋰鑭鋯氧,折算成氧化鋯需求為72噸。
② 全固態(tài)電池:沒(méi)有隔膜載體,鋰鑭鋯氧用量更大,1GWh約需要350噸鋰鑭鋯氧,折算成氧化鋯需求為100多噸。
③ 未來(lái)市場(chǎng)需求:去年固態(tài)電池1-2GWh,今年規(guī)劃有10-15GWh,明后年有40-50GWh,未來(lái)可能到100-200GWh。按照100GWh來(lái)測(cè)算,半固態(tài)電池需要7200噸氧化鋯,全固態(tài)電池預(yù)計(jì)需要1萬(wàn)噸氧化鋯。
LLZO的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題
① 離子電導(dǎo)率:LLZO的室溫體相離子電導(dǎo)率超過(guò)10-3S/cm,接近理論水平,很難進(jìn)一步提高。因此,減小固態(tài)電解質(zhì)層的面比電阻至關(guān)重要。
② 界面接觸問(wèn)題:固態(tài)電解質(zhì)/電極之間的固固接觸導(dǎo)致高的界面阻抗。采用相容性界面或界面過(guò)渡層,或使用液態(tài)/半液態(tài)鋰負(fù)極可以提高界面相容性和穩(wěn)定性。
③ 空氣穩(wěn)定性:LLZO在潮濕空氣環(huán)境中易生成碳酸鋰污染層。通過(guò)熱處理法、界面修飾、酸處理等方法能有效去除表面碳酸鋰,值得在粉體批量制備技術(shù)中嘗試。
高能量密度LLZO基固態(tài)鋰電池制備的關(guān)鍵技術(shù)
① 高載量正極:對(duì)于LiNi8Co1Mn1O2(NCM811)正極來(lái)說(shuō),例如在鋰負(fù)極厚度是50μm的情況下,正極載量要求大于30 mg cm-2才能實(shí)現(xiàn)400 Wh/kg的目標(biāo)。這往往需要采用三維復(fù)合正極材料、構(gòu)筑導(dǎo)電正極等策略,以保證良好的動(dòng)力學(xué)特性(如圖a)。
② 輕薄固態(tài)電解質(zhì)層:400 Wh/kg的高能量密度要求輕薄型固態(tài)電解質(zhì)層厚度<30 μm、室溫離子電導(dǎo)率>10-4 S cm-1、電化學(xué)窗口>4.5 V、拉伸強(qiáng)度>15 MPa、熱穩(wěn)定性>120 ℃。
③ 無(wú)鋰貫穿負(fù)極:通過(guò)界面修飾、鋰負(fù)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等策略實(shí)現(xiàn)耐受鋰貫穿負(fù)極材料的制備。
④ 雙電極堆疊固態(tài)電池:采用雙電極堆疊的方式制備固態(tài)電池(圖b),可有效利用空間,提高電池的體積能量密度。
(a) 高載量正極的實(shí)現(xiàn)手段,圖片出自J. Mater. Chem. A 7(32), 19094-19103 (2019); Nano Energy 61, 567-575 (2019); Adv. Funct. Mater. 29(34): 1903961 (2019);
(b) Bi-polar構(gòu)型固態(tài)電池結(jié)構(gòu)
LLZO基固態(tài)鋰電池的未來(lái)發(fā)展方向
根據(jù)《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃》《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》的相關(guān)指引,動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度需要在2025—2030年內(nèi)達(dá)到350 W·h/kg以滿足市面上電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程需求。從目前技術(shù)來(lái)看,僅憑借傳統(tǒng)鋰電池的技術(shù)研發(fā),這一目標(biāo)顯然已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此全固態(tài)電池被推到了前端,構(gòu)筑LLZO基固態(tài)電池在最為關(guān)鍵的能量密度方面,有望徹底解決純電動(dòng)汽車(chē)的里程焦慮。
① 高能量密度、高安全固態(tài)鋰電池的設(shè)計(jì)方案,分別針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命、快充、高安全性和低成本等具有不同特點(diǎn)的電芯。
② LLZO的規(guī);苽涫菍(shí)現(xiàn)成本控制的有效手段。
③ 固態(tài)電池的熱失控和服役失效問(wèn)題值得深入研究,需要在實(shí)際工作狀態(tài)中考察固態(tài)電芯的安全性。
總結(jié)
電解質(zhì)作為電池的重要組成部件,其性能的好壞直接決定了電池性能的優(yōu)劣。總體而言,與液態(tài)電解液相比,固體電解質(zhì)在材料安全性、穩(wěn)定性和組裝電池的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。但固態(tài)電解質(zhì)體系仍然面臨離子電導(dǎo)率較低(對(duì)比電解液)以及固-固界面不兼容的問(wèn)題。LLZO作為最具市場(chǎng)化潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料之一,一直吸引著眾多研究人員的關(guān)注,通過(guò)深入了解LLZO晶體結(jié)構(gòu)以及通過(guò)元素?fù)诫s對(duì)富鋰石榴石結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,已經(jīng)將LLZO的鋰離子電導(dǎo)率提高一個(gè)數(shù)量級(jí),并且諸多結(jié)果表明,對(duì)富鋰石榴石家族的晶體結(jié)構(gòu)和Li+濃度的調(diào)控已經(jīng)達(dá)到頂峰。盡管如此,構(gòu)筑低阻抗與重現(xiàn)性高的固體電極/固體電解質(zhì)界面等突出問(wèn)題仍有較長(zhǎng)的路要走,固態(tài)電池的春天還沒(méi)有到來(lái)。從綜合布局固態(tài)電池的企業(yè)數(shù)量以及電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)需求來(lái)看,固態(tài)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)仍然是風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇并存,并且存在潛在風(fēng)險(xiǎn)難以評(píng)估的問(wèn)題。
參考來(lái)源:
郭向欣等.面向?qū)嵱没虘B(tài)鋰電池怎樣做好鋰鑭鋯氧固體電解質(zhì)
盧俠等.固態(tài)電解質(zhì)鋰鑭鋯氧(LLZO)的研究進(jìn)展
跟蹤 |【華安金屬新材料】鋯在固態(tài)電池的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)會(huì)議要點(diǎn).思維紀(jì)要社
LLZO固態(tài)鋰電池實(shí)用化進(jìn)程中存在哪些關(guān)鍵問(wèn)題——訪青島大學(xué)郭向欣教授.粉體網(wǎng)
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡(jiǎn))
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