全固态锂电池热安全性研究进展

随着液态锂电池的广泛应用,热失控现象时有发生,其热安全性成为亟待解决的问题。全固态锂电池以其优异的安全性显示出巨大的应用潜力。该文简要介绍了全固态锂电池的基本概念及组成结构,重点阐述了氧化物、硫化物以及聚合物固体电解质的最新研究进展,并对这3类全固态锂电池的热安全性差异进行了总结,包括固体电解质材料级别、固体电解质与活性材料或锂金属负极混合时界面级别以及全电池级别的热安全性。此外,锂枝晶现象对全固态锂电池安全性的影响仍不可忽视。目前,针对材料和界面级别的热安全性研究众多,但全电池级别的研究较少,且多集中在小容量电池,针对全电池级别的热安全性仍需进一步探究。最后,指出了未来高安全性全固态锂电池的商业化应用应着力于解决全固态锂电池中的关键界面问题以及锂枝晶问题。

富锂正极材料在全固态锂电池中的研究进展

开发高能量密度、长循环寿命、低成本和高安全性的全固态锂电池是发展下一代锂离子电池的重要方向之一.富锂层状氧化物正极材料由于阴阳离子协同参与氧化还原反应,可以提供更高的放电比容量(>250 mAh/g)和能量密度(>900 Wh/kg),将其应用于全固态锂电池中有望推动锂离子电池能量密度突破500 Wh/kg的中长期目标.然而,富锂正极材料的电子导电性差、阴离子氧的不可逆氧化还原反应以及循环中的结构相变,导致该材料在电化学循环过程中存在初始库仑效率低、循环稳定性差和电压衰退等问题.此外,富锂正极材料的工作电压较高(>4.5 V vs.Li/Li^(+)),使正极/电解质之间不仅面临常规的界面化学反应,释放的氧还会加剧界面的电化学反应,对正极/电解质的界面稳定性提出了更高的要求.因此,富锂正极材料的本征特性和富锂正极/电解质间严重的界面反应极大限制了富锂正极材料在全固态锂电池中的应用.本文首先详细阐述了富锂正极材料在全固态锂电池中的失效机制,其次综述了近年来富锂正极材料在不同固态电解质体系下的研究进展,最后总结和展望了富锂全固态锂电池未来的研究重点和发展方向.

冠醚掺杂的聚合物固态电解质对全固态锂电池性能的影响

聚氧化乙烯(PEO)基固态电解质由于高的柔韧性、优异的加工性以及良好的界面兼容性等在全固态锂电池中极具应用前景,但其较低的室温离子电导率和较窄的电化学窗口限制了其高效应用。本工作采用溶液浇铸法将含有极性官能团的冠醚(15-C-5)分子分散在PEO/双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)基质中制备PEO/15-C-5聚合物固态电解质。重点探究冠醚含量对固态电解质中Li+传递的影响,同时对聚合固态电解质的形貌、力学性能、电化学性能进行系统研究。结果表明:10%15-C-5在PEO中分散性较好,可有效降低PEO的结晶度,进而提升PEO链段运动性,使其抗拉强度达1.83 MPa。15-C-5与锂离子间强的络合作用促进锂盐解离,同时对阴离子产生静电排斥,从而增强离子电导率并提高锂离子迁移数,30℃下离子电导率达到1.00×10^(-5)S/cm,60℃下锂离子迁移数达到0.42,分别是PEO电解质的4.5和1.9倍。另外冠醚与阴离子形成的静电排斥中心易捕获锂离子形成较为稳定的悬停位点,降低了PEO链段形成的O-Li络合活性位点促进C-O-C结构分解的可能性,从而提高PEO电解质的分解电压(从4.29 V到5.42 V)。与镍钴锰三元正极匹配的全固态锂电池展现出稳定的长循环性能,其在60℃、0.5 C的条件下初始放电比容量达到159 mAh/g,经100圈循环之后容量保持率达到89%。与磷酸铁锂正极匹配组装的全固态锂电池同样表现出优异的性能。

中国科学技术大学开发新型全固态锂电池电解质

中国科学技术大学马骋教授研发出一种新型固态电解质氧氯化锆锂,其综合性能和目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相近,但成本不到后者的4%,适合产业化应用。全固态锂电池可以克服目前商业化锂离子电池在安全性上的严重缺陷,同时进一步提升能量密度,对新能源车和储能产业是一项颠覆性技术。但是,由于全固态锂电池的核心材料固态电解质难以兼顾性能和成本,产业化仍面临巨大阻碍。

全固态锂电池有机-无机复合电解质分析

全固态锂电池具有广阔的应用前景,而其关键部件固态电解质已经受到社会的广泛关注,根据现有研究发现,固态电解质被认为是消除锂电池循环性能问题以及安全隐患的重要组成部分。在本次研究中,文章将从固态锂电池结构入手,之后详细介绍了有机-无机复合固态电解质以及聚合物质选择方案、锂盐选择方案等,并且在本次研究中对离子运输机制展开深入研究,分析了其中的基本特征,希望为全面提升锂电池性能提供支持。

全固态锂电池界面的研究进展

与传统锂离子电池相比,基于无机固体电解质的全固态锂电池,具有安全性能高、循环寿命长、能量密度高等优点,是目前锂电池研究领域的热点之一,未来有望在电动汽车和智能电网等领域得到广泛应用。全固态锂电池中,电极与固体电解质之间的固固接触相比固液接触具有更高的界面接触电阻,同时,界面相容性和稳定性也显著影响全固态锂电池的循环性能和倍率性能。而在固体电解质中,晶界电阻决定了电解质整体的离子电导率,因此,界面问题是决定电池电化学性能的关键所在。本文重点综述了全固态锂电池中各种界面问题的研究现状,主要包括界面调控机理、修饰方法,并指出全固态锂电池中界面调控面临的挑战。

基于硫化物固体电解质全固态锂电池界面特性研究进展

采用不可燃的无机固体电解质代替液体有机电解质的全固态锂电池,被认为是解决锂电池燃烧和泄漏等安全问题的终极解决方案之一。同时,锂金属负极的应用可以进一步提高电池的能量密度。近年来,得益于无机固体电解质锂离子电导率方面的突破,硫化物固体电解质被认为是最有前途的锂离子导体之一。然而,在该领域仍有许多挑战亟待解决,主要包括硫化物固体电解质的稳定性、硫化物固体电解质与电极之间的不稳定界面以及锂枝晶的形成与生长。因此,构建稳定的电极/固体电解质界面是实现高性能全固态锂电池的关键。本文针对当前基于硫化物固体电解质全固态锂电池面临的挑战和机遇,总结了目前存在的各种界面问题以及界面调控策略,最后探讨了全固态锂电池可能的研究方向和发展趋势。

为全固态锂电池“正名”

全固态锂电池从20世纪50年代就开始研究,已历时半个多世纪。近年来,面向电动汽车应用的全固态锂电池终于开始从实验室走向产业化小批量制造。目前,在新型化学电源领域的各类公开场合"全固态锂电池"的出现频率越来越高,业内也基本形成了共识:全固态锂电池有望作为下一代动力电源进入市场,但究竟什么是全固态锂电池?相信也有很多人存在着困惑,为此,我们特写此文以求为全固态锂电池"正名",以供大家参考。

全固态锂电池的固态电解质进展与专利分析

固态锂电池由于具有安全性高、能量密度高等优势,已成为未来锂电池发展的必经之路。其中,固态电解质作为固态电池区别于传统液态电池的核心部件,已逐渐受到各国重视。本文介绍了三类固态电解质:聚合物、氧化物和硫化物固态电解质,分析了目前最新研究进展和突出研究成果。其中,聚合物电解质具有黏弹性好、机械加工性能优、质量轻等特点。氧化物固态电解质研究时间较长,本文简要介绍了钙钛矿型、NASICON型、Garnet型电解质。而硫化物电解质因具有较高的离子电导率,近年来也广受关注。最后对固态电解质的专利申请进行分析,期于让读者了解不同地区固态电解质的研究水平与进展,倡议加大相关研究经费的投入,为相关企业、高校寻求合作提供选择与建议。

全固态锂电池技术发展趋势与创新能力分析

科技创新加速推进全球能源格局朝向绿色、低碳、清洁、高效、智慧、多元方向转变,而高能量密度的储能器件是实现可再生能源消纳、促进终端应用电气化的关键。全固态锂电池作为下一代高能量密度主流技术方案受到业界广泛关注。本文综述了全固态锂电池中固态电解质研究现状,分析并提出了该技术面临的主要挑战和未来发展趋势。结合文献计量和专利计量方法对全固态锂电池创新能力进行系统分析,结果显示,我国全固态锂电池研发创新能力整体较强。在该技术领域发表超过1000篇论文,位居全球首位。其中,中国科学院以241篇相关论文占据榜首。从专利成果统计结果来看,2015年起该技术呈现井喷式发展,技术主题主要集中在二次电池的开发与制造、电极的开发、导电材料的研发、一次电池的开发与制造、生产导电材料专用设备的研发等方面。日本在该技术领域公开专利数量最多,处于遥遥领先地位。基于此,我国今后应强化该技术知识产权保护,推进专利市场化应用,早日实现全固态锂电池商业化量产,为推动我国能源格局朝向清洁高效发展,实现“双碳”目标发挥更大的作用。

原位表征技术在全固态锂电池中的应用

近年来,可移动消费电子与电动汽车等产业发展迅速,迫切需要发展高能量密度与高安全稳定性的锂电池,以提高这些设备的长续航与长期稳定运行的能力.这使得全固态锂电池极具潜力,并获得迅速发展.然而,高性能全固态锂电池的发展需要对其充放电机制与性能衰减机理等有深入的认识,对电池内部及界面的微观结构、物相组成、化学成分及局域化学环境等动态演变规律有系统深入的理解.基于此,本文总结归纳了典型原位表征技术,包括原位显微技术(原位扫描电子显微镜(SEM),原位透射电子显微镜(TEM))、原位X射线技术(原位X射线衍射(XRD)、原位X射线光电子能谱(XPS)、原位近边结构X射线吸收光谱(XANES)、原位X射线层析成像等)、原位中子技术(原位中子衍射(ND)、原位中子深度剖析(NDP))以及原位波谱技术(原位拉曼光谱、原位核磁共振(NMR)与原位核磁共振成像(MRI))等的基本原理、功能、及其应用于研究固态锂电池中电极材料与界面在服役状态下、真实电化学过程中的动态过程与失效机制的代表性研究进展,并对未来先进原位表征技术在全固态锂电池研究中的应用进行了探讨和展望.

薄膜型全固态锂电池

薄膜型全固态锂电池具有完美的电极/电解质固-固界面,可以有效解决当前商用锂离子电池的安全性问题,并具有超长的循环寿命、较宽的使用温度范围、较低的自放电率等优点,相比体型固态锂电池性能优越,受到了业界的广泛关注。然而制备成本高、单位面积能量密度低等缺点限制了其应用范围。本文介绍了薄膜型全固态锂电池的工作原理及特点、关键材料的研究现状,并针对薄膜固态锂电池的产业化现状和技术瓶颈进行了总结,对新一代薄膜型全固态锂电池的发展及产业化应用进行了展望。

全固态锂电池的电极制备与组装方法

全固态锂电池由于具有安全性高、循环寿命长、能量密度高等特点,在化学电源领域具有非常好的应用前景。因全固态锂电池是一种使用固体电极材料和固体电解质材料,不含任何液体的锂电池,所以全固态锂电池的电极制备以及组装与现有液态锂电池的方法存在较大差异。本文详细综述了典型的几类全固态锂电池的电极制备与组装方法及相应的性能特征,分别针对氧化物、硫化物以及聚合物固体电解质体系,归纳分析其结构、正极制备方法、负极修饰方法以及电池组装方式,并在最后对全固态锂电池的实验室开发组装方式给出了建议,为全固态电池研究的同行们提供借鉴和参考。

全固态锂电池技术的研究现状与展望

现有电化学储能锂离子电池系统采用液体电解质,易泄露、易腐蚀、服役寿命短,具有安全隐患。薄膜型全固态锂电池、大容量聚合物全固态锂电池和大容量无机全固态锂电池是一类以非可燃性固体电解质取代传统锂离子电池中液态电解质,锂离子通过在正负极间嵌入-脱出并与电子发生电荷交换后实现电能与化学能转换的新型高安全性锂二次电池。作者综述了各种全固态锂电池的研究和开发现状,包括固态锂电池的构造、工作原理和性能特征,锂离子固体电解质材料与电极/电解质界面调控,固态整电池技术等方面,提出并详细分析了该技术面临的主要科学与技术问题,最后指出了全固态锂电池技术未来的发展趋势。

应用于全固态锂电池的复合固态电解质研究进展

基于固态电解质和锂金属负极的全固态锂离子电池能量密度高、安全性好,能够有效地抑制锂枝晶生长并改善电池的本征安全性。固态电解质作为全固态电池的关键材料,成为近年来的研究热点。目前,通过在聚合物基体中添加无机填料得到的复合固态电解质具有优异的力学性能和电化学性能,实现了对单一固态电解质体系的“取长补短”,被视为最具前景的电解质材料。在复合固态电解质中,无机填料与聚合物基体的两相界面对锂电池的离子电导率有重要贡献,但两相界面的增加受到无机填料渗流阈值的影响。因此,从填料的形貌、排列方式等方面优化渗流结构是进一步提高离子电导率的关键。基于以上问题,总结了各单一类型固态电解质以及复合固态电解质的特点及其导电机理,并基于不同维度的无机填料分析了复合固态电解质研究中的渗流结构设计思路、方法优劣及性能变化,并展望了复合固态电解质未来研究重点。

全固态锂电池固态电解质烧结工艺研究

Li7La3Zr2O12 (LLZO)系固态电解质具有离子电导率高、安全性好的优点,掺杂Ta元素得到的Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)性能更优.通过直接对已商用的Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12粉末冷压,并在最佳条件下以不同温度烧结,比较不同温度对材料导电性能的影响.改善装炉方式,通过在刚玉坩埚与电解质间添加氧化锆保护隔离器皿,隔绝高温下氧化铝的渗入,保证电解质片烧结过程中的纯净.实验发现1 000℃烧结时得到的电解质片离子电导率最高,同时发现在烧结过程中不同温度下仍有不同程度的锂损失.同时通过补充外加锂源的实验发现,LiOH· H2O作为补充锂源时具有增强烧结效果的作用.

用于全固态锂电池的有机-无机复合电解质

固态电解质被认为是解决传统液态锂金属电池安全隐患和循环性能的关键材料,但仍然存在离子电导率低,界面兼容性差等问题.设计兼顾力学性能、离子电导率和电化学窗口的有机-无机复合型固态电解质材料是发展全固态锂电池的明智选择.近年来,基于无机填料与聚合物电解质的有机-无机复合电解质备受关注.设计与优化复合电解质结构对提高复合电解质综合性能具有重要意义.本文详细梳理了有机-无机复合固态电解质在全固态锂电池中展现的多方面优势,从满足不同性能需求的复合电解质结构设计角度出发,综述了有机-无机复合电解质在锂离子传导、锂枝晶的抑制、界面稳定性和相容性等方面的研究进展,并对有机-无机复合电解质的未来发展趋势和方向进行了展望.

Co_(0.1)Fe_(0.9)S_(2)@Li_(7)P_(3)S_(11)正极材料的制备及其在全固态锂电池中的性能

全固态锂电池采用金属硫化物FeS_(2)作为正极材料能实现较高的可逆比容量,但是循环过程中较大的应力/应变和不良的固固接触引起的界面失效,严重影响了其在全固态锂电池中的电化学性能。本工作采用溶剂热法制备了Co掺杂FeS_(2)的纳米颗粒,随后在Co_(0.1)Fe_(0.9)S_(2)纳米颗粒表面原位沉积离子电导率较高的Li_(7)P_(3)S_(11)固体电解质,获得Co_(0.1)Fe_(0.9)S_(2)@Li_(7)P_(3)S_(11)纳米复合材料,并将其应用于全固态锂电池中,过渡金属Co的掺杂能提高FeS_(2)的电化学反应动力学性能,而Li_(7)P_(3)S_(11)固体电解质原位包覆能进一步改善固固接触,提高界面锂离子传输特性,继而提高全固态锂电池电化学性能。进一步通过透射电子显微镜(TEM)表征,证实了Li_(7)P_(3)S_(11)固体电解质包覆在Co_(0.1)Fe_(0.9)S_(2)纳米颗粒表面。电化学测试表明,Li_(7)P_(3)S_(11)固体电解质颗粒的包覆能有效提高以FeS_(2)为活性物质的全固态锂电池的充放电比容量和循环稳定性。Co_(0.1)Fe_(0.9)S_(2)@Li_(7)P_(3)S_(11)复合材料在200 mA/g的电流密度下,首次放电比容量达到882.1 mA·h/g,循环100圈后放电比容量仍保持在670.9mA·h/g。本研究有助于推动金属硫化物正极材料在全固态锂电池中的应用,从而为实现更高能量密度的全固态锂电池提供实验依据。

原位水解/熔融扩散法制备钛酸锂/硫复合正极及其在全固态锂电池中的应用

利用原位水解和熔融扩散技术制备钛酸锂/硫(LTO/S)复合材料,并以该复合材料为正极、金属锂为负极,结合PEO基聚合物固体电解质组装全固态锂电池。研究结果表明,电池充放电过程中钛酸锂和硫作为正极活性物质均提供了高容量,电池循环稳定性也得到了显著提高;当复合正极中钛酸锂与硫质量比为1:3、活性物质质量分数为80%时,电池的容量发挥和循环稳定性同时达到最佳;在60℃和0.2C测试条件下,循环100圈后电池比容量保持在801 mA·h/g,库仑效率达到99%。

全固态锂电池研究进展探讨

分析了全固态锂电池的优点,阐述了有机聚合物电解质和无机固体电解质两类全固态锂电池电解质材料的特性,介绍了全固态锂电池的发展现状,剖析了全固态锂电池研究发展中存在的主要问题,以期为今后的研究提供参考。