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全固態(tài)鋰離子電池研究現(xiàn)狀

元能科技 2024-03-06 | 閱讀：719

1. 前言

鋰離子電池由于其具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢，從眾多儲能技術(shù)中脫穎而出，成為目前電化學(xué)儲能領(lǐng)域中最重要的一部分。近年來，鋰離子電池的應(yīng)用場景迅速拓寬，從便攜式電子產(chǎn)品到電動汽車、家庭儲能、工業(yè)儲能等，鋰離子電池已經(jīng)滲透到社會的各個方面，這也對鋰離子電池的安全性和能量密度提出了更高的要求。

傳統(tǒng)鋰離子電池傳導(dǎo)鋰離子主要依靠有機(jī)液態(tài)電解液，電解液易燃、易揮發(fā)的特性導(dǎo)致電池在過熱、短路、過充、機(jī)械損傷等情況下存在熱失控、起火、爆炸等安全風(fēng)險。新能源汽車安全事故時有發(fā)生，保障新能源汽車安全運行是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)。近年來，通過電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，一定程度上提升了動力電池運行安全性。面向未來，從電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展到材料體系創(chuàng)新是動力電池的必然趨勢。

此外，能量密度是動力鋰電池的一個關(guān)鍵指標(biāo)?！吨袊圃?025》和《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021~2035)》等規(guī)劃提出到2025年和2030年，電芯的單體能量密度逐步實現(xiàn)400~500Wh/kg的目標(biāo)。然而液態(tài)鋰離子電池受化學(xué)體系限制，預(yù)計能量密度上限為300Wh/kg，這難以滿足未來戰(zhàn)略需求。

因此，發(fā)展高安全性、高能量密度的儲能技術(shù)來彌補(bǔ)液態(tài)鋰離子電池的不足是未來鋰離子電池的重要發(fā)展方向。

使用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)，發(fā)展全固態(tài)鋰電池，能夠解決當(dāng)前液態(tài)離子電池所面臨的能量密度瓶頸和安全隱患，成為最具潛力的下一代鋰離子電池后續(xù)技術(shù)。如圖1所示，全固態(tài)鋰電池的結(jié)構(gòu)與工作原理與液態(tài)鋰離子電池類似，但固態(tài)電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性較高，不會泄露、燃燒或爆炸，從而降低了熱失控的風(fēng)險，提高了電池的本征安全性。同時，固態(tài)電解質(zhì)的楊氏模量較高，可以有效抑制鋰枝晶的生長，有望實現(xiàn)金屬鋰負(fù)極的應(yīng)用，使電池的能量密度大幅提升。此外，全固態(tài)電池的封裝更加簡便。在固態(tài)電池中使用雙極堆積技術(shù)可以減少極耳、引線等非活性材料的使用，而且電池模組不需要冷卻系統(tǒng)，有望進(jìn)一步提高系統(tǒng)的體積和質(zhì)量能量密度。

圖1.液態(tài)鋰離子電池與全固態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)對比

2. 固態(tài)電解質(zhì)研究現(xiàn)狀

固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心材料，也被稱為快離子導(dǎo)體。它是指在使用溫度區(qū)間內(nèi)為固態(tài)，對電子呈現(xiàn)出良好的絕緣性，并且具有較高鋰離子傳導(dǎo)能力的一類材料。固態(tài)電解質(zhì)由于具有一定的力學(xué)強(qiáng)度和快速傳導(dǎo)鋰離子的能力，因此可以有效地替代商用鋰電池中的電解液和隔膜，成為在全固態(tài)電池內(nèi)部提供鋰離子傳輸路徑的介質(zhì)。

當(dāng)前，研究者們己經(jīng)開發(fā)出各式各樣的固態(tài)電解質(zhì)。根據(jù)其組成成分，固態(tài)電解質(zhì)可以分為聚合物、無機(jī)物和有機(jī)/無機(jī)復(fù)合電解質(zhì)三大類。其中，無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)可以分為氧化物、硫化物等細(xì)分種類。

2.1 聚合物固態(tài)電解質(zhì)

聚合物基固態(tài)電解質(zhì)一般為聚合物基體和鋰鹽均勻混合形成的固溶體。與無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)相比，聚合物固態(tài)電解質(zhì)具有柔軟性好、粘性高、價格低廉、易于加工等優(yōu)點。

聚合物電解質(zhì)中的極性基團(tuán)，如Ｃ＝O、Ｃ＝Ｎ、一O一、一Ｓ一等，可以與鋰離子配位，進(jìn)而促進(jìn)鋰鹽的溶解，產(chǎn)生自由移動的離子。目前，大部分研究認(rèn)為聚合物電解質(zhì)中的離子傳輸主要發(fā)生在Tg 以上的無定形區(qū)域，因此其鏈段的運動能力也是離子高效輸運的關(guān)鍵。如圖2所示，鋰離子在特定位置與聚合物鏈上的極性基團(tuán)配位，通過聚合物鏈局部的鏈段運動，產(chǎn)生自由體積，從而使鋰離子在鏈內(nèi)和鏈間實現(xiàn)傳導(dǎo)。

圖2.聚合物固態(tài)電解質(zhì)離子輸運機(jī)制示意圖

聚合物固態(tài)電解質(zhì)通常具有較低的室溫離子電導(dǎo)率，例如PEO的離子電導(dǎo)率在10-7~10-5 S/cm范圍內(nèi)，難以滿足固態(tài)電池的實際使用需求。為了提高聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，常用的方法包括添加增塑劑以增加鏈段間的自由體積，或者添加有機(jī)溶劑以進(jìn)一步促進(jìn)鋰鹽的溶解。

2.2 無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)

晶態(tài)材料中的離子遷移通常遵循Arrhenius公式，其取決于晶體結(jié)構(gòu)中缺陷的濃度和分布。如圖3所示，基于Schottky和Frenkel 點缺陷的離子擴(kuò)散機(jī)制包括簡單的空位擴(kuò)散和相對復(fù)雜的雙空位機(jī)制、間隙機(jī)制、間隙-置換交換機(jī)制等。

圖3.晶態(tài)固態(tài)電解質(zhì)離子輸運機(jī)制示意圖

（1）氧化物固態(tài)電解質(zhì)

氧化物固態(tài)電解質(zhì)根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)主要可以分為鈣鈦礦型Li5La3Ti2O12 (LLTO)、石榴石型Li7La3Zr2O12 (LLZO)、LISICON型Li14Zn(GeO4)4和NASICON型Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP)、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)固態(tài)電解質(zhì)。氧化物固態(tài)電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)在10-4~10-3 S/cm范圍內(nèi)，通過元素?fù)诫s、優(yōu)化制備工藝等手段可以進(jìn)一步提升氧化物固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)。例如，對LLZO進(jìn)行Ta、Al或者Ca摻雜可以增加晶體內(nèi)的鋰空穴位，提升其電導(dǎo)率至10-3 S/cm的水平。此外，超快燒結(jié)技術(shù)等可以避免燒結(jié)過程中原料的損失，合成高質(zhì)量的陶瓷。

不同的氧化物固態(tài)電解質(zhì)由于晶體結(jié)構(gòu)以及元素組成不同，表現(xiàn)出差異化的化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性。LATP 和LAGP在與鋰金屬負(fù)極匹配時，高價離子Ti4+和Ge4+會被金屬鋰還原，形成離子和電子混合導(dǎo)電的界面中間相，進(jìn)而直接影響界面的穩(wěn)定性。雖然LLZO電解質(zhì)理論上在空氣中化學(xué)穩(wěn)定，但研究發(fā)現(xiàn)，LLZO容易與空氣中的水分和CO2反應(yīng)，在表面形成有害的Li2CO3鈍化層，從而影響電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和與金屬鋰負(fù)極的界面潤濕性。

氧化物固態(tài)電解質(zhì)的楊氏模量較高，理論上可以有效抑制鋰枝晶的生長。然而，較高的楊氏模量也不利于電解質(zhì)與電極界面的物理接觸，且不能有效容納電極材料在電化學(xué)過程中的體積變化，導(dǎo)致固態(tài)電池內(nèi)部產(chǎn)生的局部應(yīng)力不能有效釋放，進(jìn)而引起電池的接觸損失和力學(xué)失效。此外，氧化物固態(tài)電解質(zhì)的脆性較高，同時在制備陶瓷片和復(fù)合正極時通常需要高溫退火工序，這使得相應(yīng)的類型全固態(tài)電池的制備具有相當(dāng)大的技術(shù)挑戰(zhàn)。一方面需要保證在固態(tài)電池制備過程中電解質(zhì)不能發(fā)生脆斷；另一方面，又需要保證電解質(zhì)與正極在共燒結(jié)過程中不能發(fā)生元素的劇烈擴(kuò)散，以避免材料結(jié)構(gòu)的相變。因此，在電解質(zhì)與電極界面處引入聚合物緩沖層構(gòu)筑多層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)或者制備有機(jī)-無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，可以有效解決氧化物電解質(zhì)與電極的物理不兼容性，同時有利于其大規(guī)模生產(chǎn)制備。

（2）硫化物固態(tài)電解質(zhì)

與氧化物固態(tài)電解質(zhì)相比，硫離子的半徑比陽離子更大，電負(fù)性更小，因此硫化物固態(tài)電解質(zhì)對鋰離子的結(jié)合力更低。這使得硫化物中形成的離子傳輸通道比氧化物電解質(zhì)更寬，更容易傳輸鋰離子，從而顯示出更高的離子電導(dǎo)率。此外，硫化物固態(tài)電解質(zhì)還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、良好的力學(xué)性能等優(yōu)點。根據(jù)組成和結(jié)構(gòu)，硫化物固態(tài)電解質(zhì)主要分為玻璃態(tài)、Thio-LISICON、玻璃-陶瓷、鋰硫銀鍺礦型以及LGPS超離子導(dǎo)體。玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)包括Li2S-GeS2、Li2S-SiS2、Li2S-P2S5-LiI，其室溫鋰離子電導(dǎo)率~10-4 S/cm。Thio-LISICON型Li3.25Ge0.25P0.7S4室溫鋰離子電導(dǎo)率2.2×10-3 S/cm。玻璃-陶瓷型Li7P3S11室溫鋰離子電導(dǎo)率2.2×10-3 S/cm。鋰硫銀鍺礦型硫化物電解質(zhì)Li6PS5X(X=Cl、Br、I)具有較高鋰離子電導(dǎo)率，通過固相法合成的Li6PS5Cl室溫電導(dǎo)率高達(dá)4.96×10-3 S/cm。超離子導(dǎo)體Li10GeP2S12 (LGPS)被認(rèn)為具有里程碑意義，其室溫鋰離子電導(dǎo)率為1.2×10-2 S/cm，與液態(tài)電解質(zhì)相當(dāng)。通過鹵素?fù)诫s后，Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3超離子導(dǎo)體，其室溫鋰離子電導(dǎo)率甚至超過液態(tài)電解質(zhì)，達(dá)到了2.5×10-2 S/cm。

除了較高的離子電導(dǎo)率，硫化物電解質(zhì)獨特的力學(xué)性能也是其備受青睞的原因之一。硫化物電解質(zhì)的模量介于氧化物和聚合物之間，從材料力學(xué)的角度來看，硫化物電解質(zhì)不僅可以抑制鋰枝晶的生長，同時其質(zhì)地較軟，通過簡單的冷壓即可實現(xiàn)致密化，避免了類似氧化物陶瓷的高溫?zé)Y(jié)過程。然而，硫化物電解質(zhì)的斷裂韌性值較低，在電池制備和循環(huán)過程中容易脆斷，從而引起電池的力學(xué)失效。

大部分硫化物固態(tài)電解質(zhì)在空氣中都不穩(wěn)定，空氣中微量的水分即可引起電解質(zhì)的水解反應(yīng)，導(dǎo)致不可逆的結(jié)構(gòu)變化和離子電導(dǎo)率降低，同時還會產(chǎn)生有毒的H2S氣體。因此，硫化物電解質(zhì)的合成、儲存和加工均需要嚴(yán)格的無水條件，以維持材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全性，這顯然增加了生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和成本，限制了其規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用?；谲浻菜釅A理論，目前研究者通過氧化物共混或元素?fù)诫s等手段開發(fā)空氣穩(wěn)定的硫化物電解質(zhì)。

2.3 有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

目前單一的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)、聚合物固態(tài)電解質(zhì)分別存在著離子電導(dǎo)率低、產(chǎn)生枝晶、界面不穩(wěn)定等各種問題，無法滿足全固態(tài)鋰金屬電池的性能要求。為了克服無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)的缺點，將無機(jī)填料加入到聚合物基體中，形成有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，不僅可以提高聚合物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，而且能夠抑制枝晶產(chǎn)生、提高機(jī)械強(qiáng)度、提高界面穩(wěn)定性以及兼容性等。

復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)結(jié)合了無機(jī)固體電解質(zhì)和有機(jī)固體電解質(zhì)的優(yōu)點。在聚合物固態(tài)電解質(zhì)中加入無機(jī)填料后得到的固態(tài)電解質(zhì)具有優(yōu)異的綜合性能，無機(jī)填料可以起到三方面的作用：①降低結(jié)晶度，增大無定形相區(qū)，利于Li+遷移；②填料顆粒附近可以形成快速Li+通道；③增加聚合物基質(zhì)的力學(xué)性能，使其易于成膜。有機(jī)-無機(jī)復(fù)合電解質(zhì)可以提升鋰離子導(dǎo)電率，鋰離子導(dǎo)電機(jī)理主要有以下三種：①有機(jī)相傳導(dǎo)鋰離子；②無機(jī)相傳到鋰離子；③有機(jī)-無機(jī)界面?zhèn)鲗?dǎo)鋰離子。

3. 全固態(tài)電池研究面臨的問題

3.1 離子電導(dǎo)率低

如果將液態(tài)電解質(zhì)全部替換為固態(tài)電解質(zhì)，構(gòu)建全固態(tài)電池，那么首先要考量固態(tài)電解質(zhì)本身鋰離子電導(dǎo)率是否足夠。液態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率10-2S/cm，氧化物固態(tài)電解質(zhì)燒結(jié)成陶瓷之后離子電導(dǎo)率10-4S/cm，粉體狀態(tài)直接冷壓成型~10-8S/cm，氧化物是無法直接使用在全固態(tài)電池中的。聚合物固態(tài)電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率~10-6S/cm ~10-5S/cm，溫度升到60℃左右才能達(dá)到~10-3S/cm，然而溫度升高到60℃時，聚合物固態(tài)電解質(zhì)已接近熔融狀態(tài)，真正意義上已經(jīng)不屬于固態(tài)電解質(zhì)。相較于氧化物固態(tài)電解質(zhì)和聚合物固態(tài)電解質(zhì)，硫化物固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率較高，燒結(jié)成陶瓷后的室溫離子電導(dǎo)率接近液態(tài)電解液，從電導(dǎo)率方面考量，全固態(tài)電池只能寄希望于硫化物全固態(tài)電解質(zhì)，以及有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。

表1.三種常見固態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)電解液對比

3.2 固-固物理接觸差

如圖4所示，在液態(tài)鋰離子電池中，流動的有機(jī)電解液能夠充分浸潤電極片，同時填充到電極的孔隙中，形成良好的液-固浸潤界面，從而在電池內(nèi)部建立起從正極到負(fù)極貫通且高效的鋰離子傳輸通道。但固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)無法流動，這意味著固態(tài)電解質(zhì)與正極、負(fù)極顆粒固-固接觸的浸潤效果是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上液-固界面的，且接觸的有效面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液態(tài)電解質(zhì)與正極、負(fù)極固體顆粒。

圖4.液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)與正極顆粒界面對比

為了克服固態(tài)電池中固-固物理接觸所帶來的問題，研究人員通過在電極材料上原位生長固態(tài)電解質(zhì)來改善固-固界面，這種包覆層有效改善了電極內(nèi)部的固-固物理接觸，降低界面阻抗。此外，通過熱壓或者冷壓工序減少電極內(nèi)部的孔隙率也是提高電極組分間物理接觸的簡單有效策略。

另外，考慮到固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電導(dǎo)率及界面浸潤不如液態(tài)電解液，那么就勢必要增加正極、負(fù)極活性物質(zhì)材料中固態(tài)電解質(zhì)的體積百分?jǐn)?shù)，來保證正極片與負(fù)極片鋰離子導(dǎo)電能力。目前，硫化物全固態(tài)電池中，正負(fù)極極片需加入25%以上固態(tài)電解質(zhì)，才能保證一定的電性能。極片中增加大量的固態(tài)電解質(zhì)，一方面降低了活性物質(zhì)占比，降低電池質(zhì)量能力密度；另一方面增加了極片體積，降低電池的體積能力密度。同時，固態(tài)電解質(zhì)本身電子電導(dǎo)率非常低，在不增加電子導(dǎo)電劑的情況下，增加固態(tài)電解質(zhì)體積百分?jǐn)?shù)會導(dǎo)致極片電子電導(dǎo)率降低，影響電池倍率性能。

表2.商業(yè)鋰離子電池與當(dāng)前硫化物全固態(tài)電池參數(shù)對比

3.3 界面化學(xué)/電化學(xué)副反應(yīng)

固態(tài)電解質(zhì)與電極接觸界面的離子傳導(dǎo)主要受界面化學(xué)/電化學(xué)兼容性的影響，主要體現(xiàn)在界面元素擴(kuò)散、界面電化學(xué)副反應(yīng)和空間電荷層。硫化物電解質(zhì)和電極材料之間的(電)化學(xué)不兼容引起在界面產(chǎn)生不可逆的寄生反應(yīng)，形成高電子電導(dǎo)率、低離子電導(dǎo)率的復(fù)雜界面相，進(jìn)一步阻礙離子在界面的快速輸運。此外，硫化物電解質(zhì)與層狀正極材料之間的鋰化學(xué)勢差異可能會導(dǎo)致界面空間電荷層的形成，也會阻礙鋰離子在界面的遷移。

為了提高固態(tài)電解質(zhì)和正極材料的界面兼容性，抑制界面(電)化學(xué)副反應(yīng)的發(fā)生，目前最常用且有效的方法是通過對正極材料進(jìn)行表面包覆，構(gòu)建界面保護(hù)層。固態(tài)電池中的正極材料包覆物質(zhì)通常是快離子導(dǎo)體。這些包覆材料要求具有較高的電化學(xué)穩(wěn)定性、較高的離子電導(dǎo)率和電子絕緣性，旨在抑制界面副反應(yīng)的同時也不阻礙鋰離子跨界面的傳輸。其中，LiNbO3由于具有相對較髙的離子電導(dǎo)率（~10-6 S/cm）以及與硫化物和正極材料較高的電化學(xué)穩(wěn)定性而備受青睞，是目前應(yīng)用最廣泛的包覆材料。

3.4 不均勻鋰沉積/剝離

電解質(zhì)與金屬鋰負(fù)極界面的不均勻鋰沉積/剝離過程會導(dǎo)致鋰枝晶的成核和生長，可能穿透電解質(zhì)層，造成電池短路失效，同時帶來潛在的安全的隱患。而界面接觸、界面(電)化學(xué)穩(wěn)定問題與枝晶生長問題相互耦合，使得界面枝晶的演化過程變得格外復(fù)雜。在全固態(tài)電池循環(huán)過程中，施加適當(dāng)?shù)亩询B壓力能有效改善界面的物理接觸，同時可以促進(jìn)鋰的蠕變，防止剝離過程中空隙的形成。電解質(zhì)晶界處的剪切模量比其顆粒體相低約50%，枝晶容易沿晶界處積累和傳播。因此，提高固態(tài)電解層的致密度并確保電解質(zhì)與鋰負(fù)極界面的均勻接觸，是抑制枝晶生長的有效手段。

4. 全固態(tài)電池研究總結(jié)

（1）氧化物和聚合物固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率太低，無法在全固態(tài)電池中使用，只能寄希望于硫化物固態(tài)電解質(zhì)，或者有機(jī)-無機(jī)復(fù)合電解質(zhì)；

（2）硫化物固態(tài)電解質(zhì)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用需先解決其不穩(wěn)定性和成本高的問題；

（3）固態(tài)電解質(zhì)替代電解液有可能帶來極片離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變差、固-固接觸差、能量密度降低等問題；

（4）全固態(tài)電池研究難度非常高，但其潛在的安全及能量密度優(yōu)勢仍值得進(jìn)一步研究。

5. 全固態(tài)電池測試案例

5.1 一種固態(tài)電解質(zhì)全方位電化學(xué)性能測試方法（點擊跳轉(zhuǎn)）

固態(tài)電解質(zhì)測試系統(tǒng)SEMS1100（IEST元能科技和廈門大學(xué)共同研發(fā)），是一款專用于固態(tài)電解質(zhì)樣品的多功能測試系統(tǒng)，集壓片、測試、計算于一體的固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)性能的全自動測量設(shè)備。系統(tǒng)采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，包含加壓模塊、電化學(xué)測試模塊、致密度測量模塊、陶瓷片壓制和夾持模塊等，適用于各類氧化物、硫化物、聚合物等固態(tài)電解質(zhì)的測試。

圖5.固態(tài)電解質(zhì)測試設(shè)備示意圖

（1）粉末制片

目前評估固態(tài)電解質(zhì)粉末的電化學(xué)性能時通常需要對粉末進(jìn)行壓片，且界面接觸差的樣品還需要在表面噴涂導(dǎo)電金屬作為離子阻塞電極，壓片時的施力大小及均勻性會在很大程度上影響所制備陶瓷片的完整性，如圖6為不同壓片設(shè)備得到的陶瓷片宏觀照片，其中采用SEMS1100設(shè)備的均勻壓力來制備固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片，可保證在不同的壓力范圍內(nèi)得到完整均勻的樣片，降低樣品破壞的風(fēng)險，提高成品率和測試效率。

圖6.不同設(shè)備制片結(jié)果對比

（2）離子電導(dǎo)率測試

采用SEMS1100對兩種不同的固態(tài)電解質(zhì)材料Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3（LATP）以及Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12（LLZO）進(jìn)行其電化學(xué)阻抗譜和離子電導(dǎo)率測試。如圖7所示，通過對三明治陶瓷片施加不同的量化壓力并測量其電化學(xué)阻抗譜，發(fā)現(xiàn)測試壓力會不同程度地影響其離子電導(dǎo)率的大小，說明通過施加穩(wěn)定量化的壓力來測試固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)性能具有很大的必要性。

圖7.兩種固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)阻抗譜及其離子電導(dǎo)率對壓力的變化情況

（3）電子電導(dǎo)率&壓實密度測試

通過SEMS1100設(shè)備，能夠在LATP粉末進(jìn)行壓片的過程中同步測試其電子電導(dǎo)率及壓實密度。如圖8所示，隨著施加壓強(qiáng)的增大，壓實密度從初始的1.7g/cm3增加至2.1g/cm3，而電子電導(dǎo)率在50MPa左右達(dá)到穩(wěn)定，即固態(tài)電解質(zhì)材料的致密度和電子電導(dǎo)率趨勢并不完全一致。這說明在不同的壓力條件下，需要對固態(tài)電解質(zhì)的不同特性指標(biāo)進(jìn)行同步測試，才能夠獲得全面、準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

圖8.LATP固態(tài)電解質(zhì)電子電導(dǎo)率及壓實密度對壓力的變化情況

（4）固態(tài)鋰金屬電池循環(huán)性能

在SEMS1100配套的密封治具中組裝Li-SE-Li對稱電池，分別對該電池施加不同的壓強(qiáng)，進(jìn)行鋰金屬的循環(huán)沉積測試，測量對稱電池的電位變化情況。如圖9所示，當(dāng)施加壓強(qiáng)從120MPa降為110MPa后，電池的過電位顯著增加，這說明鋰金屬電池的沉積行為對壓力變化是較為敏感的，通過改變施加壓力來對評估固態(tài)電解質(zhì)的界面穩(wěn)定性具有重要意義。

圖9.對稱電池的循環(huán)充放電測試

（5）電化學(xué)穩(wěn)定窗口測試

在SEMS1100配套的密封治具中組裝Li-SE-不銹鋼電池，進(jìn)行循環(huán)伏安測試其氧化還原電位。如圖10所示，當(dāng)過電位升高至3V時，電池的氧化電流密度僅為約1.2μA/cm2，這說明該固態(tài)電解質(zhì)在0~3V的電壓窗口內(nèi)相對穩(wěn)定，即通過SEMS1100設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對不同固態(tài)電解質(zhì)材料及其鋰金屬電池的加壓、密封電化學(xué)測試。

圖10.固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)窗口測試

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