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固態(tài)電池仍存技術障礙,正極材料如何應對?

文章出處:江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司 m.himalay.com.cn責任編輯:江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司 m.himalay.com.cn人氣:-發(fā)表時間:2018-06-21 16:18【

固態(tài)電池技術有望解決現(xiàn)有液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池應用中存在的安全和壽命等問題,并有望進一步提高電池體系的能量密度。但是,固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)的應用還存在諸多的技術障礙。一方面,固態(tài)電解質(zhì)的室溫電導率仍需要繼續(xù)提升;另一方面,固態(tài)電解質(zhì)與電極及其活性材料的界面問題導致鋰離子的擴散動力學條件比液態(tài)電解質(zhì)電池體系相差許多。


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以上問題對電池正極材料提出了新的要求,以適應固態(tài)電池的發(fā)展。

一、具有高比容量和高能量密度

固態(tài)電池能量密度的提升是眾望所歸,但固態(tài)電解質(zhì)的密度都高于液態(tài)電解質(zhì),將同體積的液態(tài)電解質(zhì)置換為固態(tài)電解質(zhì),電池的能量密度均顯著降低。而且,為構筑正極中連續(xù)的鋰離子傳輸通道,往往會增加固態(tài)電解質(zhì)的比例。此外,固態(tài)電解質(zhì)材料多以粉體顆?;虮∧さ男问酱嬖谟谡龢O中,具備不可壓縮性,在正極中占據(jù)更多的體積,固態(tài)電池電芯的質(zhì)量及體積能量密度會進一步降低。因此,具有高比容量和高能量密度的正極材料成為發(fā)展固態(tài)電池的必然之選。

二、提高結(jié)構和表面穩(wěn)定性

體相結(jié)構穩(wěn)定性的提高能夠避免因晶格畸變造成的顆粒開裂、與固態(tài)電解質(zhì)的物理接觸被破壞。表面穩(wěn)定性的提高能夠避免正極材料與固態(tài)電解質(zhì)發(fā)生反應,降低由于界面電阻升高使極片內(nèi)部電子和離子的傳輸通道受阻情況的發(fā)生。對正極材料進行體相摻雜、表面包覆以及梯度材料的設計能夠提高材料的結(jié)構穩(wěn)定性以及與電解質(zhì)接觸界面的穩(wěn)定性。目前報道比較集中的技術包括在正極顆粒表面覆蓋超薄固態(tài)電解質(zhì)層或原位生成固態(tài)電解質(zhì)層。但是,正極材料與固態(tài)電解質(zhì)的界面問題復雜多樣,要針對不同正極材料的特點篩選固態(tài)電解質(zhì)體系以及構建穩(wěn)定界面的方法。

三、提高正極材料電子電導和離子電導,并構筑連續(xù)的傳輸網(wǎng)絡

正極材料自身電子電導和鋰離子電導率的提升可以有效提升電池性能,同時,在正極體系中構筑長程的、連續(xù)的、穩(wěn)定的電子和離子傳輸網(wǎng)絡直接決定了固態(tài)電池的性能和壽命。在正極顆粒表面包覆或原位形成快離子導體層,抑制顆粒形變的同時能夠有利于顆粒表面的Li+的傳輸。引入高離子導電的粘結(jié)劑,發(fā)揮一物多效的作用,構筑電子和離子傳輸通道的同時降低固體電解質(zhì)的質(zhì)量占比。

四、有優(yōu)異的高溫循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性

盡管固態(tài)電池不存在由于液態(tài)電解質(zhì)的應用所引發(fā)的安全隱患,但出于提升體系離子電導率的目的而提高固態(tài)電池的工作溫度,就給正極材料在高溫下的性能穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性提出了更高的要求。同時,選擇匹配的耐高溫粘結(jié)劑也是保障正極材料高溫下穩(wěn)定性的重要措施。

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