无机固态电解质界面改性技术研究进展

全固态锂离子电池,因其能量密度和安全性的优势而受到广泛关注,固态电解质作为全固态电池的核心部件对其工作性能具有至关重要的影响。当前研究较为成熟的固态电解质体系包括氧化物、硫化物和聚合物三种,其中氧化物固体电解质的能量密度、稳定性和循环寿命等性能较好,是较为理想的固态电解质材料,但其与电极间存在的严重的界面接触问题束缚了固态电池的大规模应用。目前针对改善不同类型固态电解质界面问题的研究较多,综述了近几年报道的无机固态电解质与电极间的界面问题的前沿研究,系统归纳了几类主要的界面改性方法,着重对复合正极、界面处理工艺优化、引入界面层以及复合电解质等研究方法进行了介绍与应用前景展望。

石榴石基复合固态电解质的界面调控和离子传导机制

Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)基复合固态电解质(CPE),因综合了聚合物的柔韧性和LLZO的高离子电导率被认为是高能量密度固态锂金属电池的有力候选。本文总结了LLZO基CPE在负极-电解质界面和正极-电解质界面的关键问题,并归纳了近年来解决电极-电解质界面离子传输问题的方法,最后结合最新表征方法和研究观点,深入分析了锂离子在LLZO基CPE中的离子传输路径。本文深入讨论了LLZO基CPE中的锂离子迁移路径和界面离子传输问题,为高能量密度固态锂金属电池的发展提供有益的参考。

锂金属负极固态电解质界面膜形成和生长机理的理论研究进展

锂金属负极因其极高的理论比容量在锂离子电池领域引起了极大的关注,但其高反应活性会引发电解液组分发生一系列复杂的降解反应,并在电极表面生成固态电解质界面膜(SEI)。SEI钝化层一方面能抑制电解液持续损耗,另一方面也会显著影响电池的循环性能。因此,从原子/分子层面阐明SEI形成和生长机理成为了近些年的研究重点和热点。本文综述了不同理论模拟方法在SEI结构、组分和生长过程的最新研究进展,介绍了经典分子动力学、反应力场分子动力学、第一性原理分子动力学、机器学习力场分子动力学以及动力学蒙特卡罗等模拟方法在SEI研究中的成功案例。讨论了现有理论计算方法在模拟SEI形成和生长机理方面的局限性,提出可结合机器学习和动力学蒙特卡罗方法来实现长时域SEI形成和生长过程模拟的技术方案展望。

微量Al掺杂修饰金属锂与固态电解质界面的研究

石榴石型固态电解质具有离子电导率高、机械强度高、电化学窗口宽等特性,但在较高电流密度下仍有金属锂枝晶问题。本文提出一种能提升金属锂与固态电解质界面稳定性的方法,在熔融Li中引入少量的Al,达到了提高固态电池的性能的目的。在固定电流密度和固定30 min的电化学剥离沉积测试中,Li(Al)|LLZTOLi(Al)对称电池极限电流密度达到0.8 mA·cm^(-2),电压曲线在1.0 mA·cm^(-2)处才产生极化现象,在1.2 mA·cm^(-2)处失效。与现有研究对比,循环稳定性与倍率性能均有显著提升。

固态电池石榴石电解质与锂金属界面改善的综述

固态电池因高比能量、高安全性和宽使用温度范围等优势,具有广阔的应用前景。石榴石固态电解质具有较高的离子电导率、较宽的电化学窗口以及对锂金属稳定等特点,是构筑全固态锂金属电池较有发展前景的固态电解质之一。石榴石固态电解质与锂金属之间存在着接触不良、高界面阻抗等问题。对石榴石电解质/锂负极的界面特性及界面问题的成因进行分析,并总结电解质和锂金属表面处理以及引入界面层等调控策略,包括使用锂合金、去除电解质表面的污染物,以及使用原子层沉积、磁控溅射沉积、真空蒸镀等技术添加修饰层,为解决石榴石与锂负极的界面问题提供借鉴。

固态锂金属电池正极/电解质界面研究进展

固态锂金属电池以其突出的安全性与高理论比容量成为目前最具发展前景的锂电池技术。在构建高比能固态锂电池体系时,如何较好地解决正极与固体电解质之间的界面问题以及二者之间的兼容性,是高安全性和高比能量固态锂电池技术的痛点之一。通过对固体电解质膜机械特性改性、正极/电解质界面特性改性及其一体化制备技术、界面理论计算等介绍,总结综述了如优化固态电解质与正极材料的物理接触、加强正极/电解质渗透性、改善界面兼容性和正极/电解质固体界面相构建等正极/电解质界面改性技术进展情况,并对固态锂金属电池界面改性技术的发展趋势做了展望。

石榴石型Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质离子电导率及电极界面问题研究进展

石榴石型Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)固态电解质因高安全性且对锂金属稳定成为固态锂电池的关键材料。但是,石榴石型固态电解质离子电导率还有待提高以及固-固界面不良接触导致的界面电阻大等问题使LLZO基固态电池的实际应用受到了限制。从石榴石型LLZO结构角度出发,探讨了锂离子输运机制并综述了提高离子电导率的策略及最新成果。针对固态锂电池无法避免的界面问题,从LLZO固态电解质与同为固态的电极接触方面,总结了优化界面的具体方法。最后,提出了石榴石型固态电解质未来可研究的方向,并促进其在全固态锂电池中的发展和应用。

石榴石型立方相Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质的制备及储锂性能

石榴石型立方相Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)具有高的离子电导率和热稳定性,在固态锂电池领域颇具应用前景。煅烧温度对制备高性能立方相LLZO至关重要。为此,首先采用不同煅烧温度(1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃)制备了LLZO,然后将10%磺酸甜菜碱改性的聚偏二氟乙烯(SB-PVDF)与90%LLZO复合制备固态电解质膜,并研究其电化学储锂性能。结果表明:在最优煅烧温度1200℃时制备的LLZO为纯立方相结构,相对致密度高达92.4%,离子电导率为1.21×10^(-4)S/cm,活化能为0.335eV,相应的固态锂电池在1.0C充放电时的放电比容量为124.3mAh/g,循环200圈后容量保持率为93.4%,优于其他样品。

全固态锂离子电池用硫化物电解质研究进展

全固态锂离子电池用硫化物电解质体系具有离子导电率高、制备方法简易、延展性良好和电化学性能稳定等优点,但距离大规模应用仍有一定难度。综述全固态锂离子电池硫化物电解质的研究现状,介绍包含玻璃态、玻璃陶瓷态和晶态等类型的电解质种类,列举硫化物固态电解质的常见制备方法,总结现有的正极与电解质界面、负极与电解质界面以及电解质自身稳定性等问题及相关解决方案。对硫化物电解质在全固态锂离子电池的应用前景作出展望。

阻燃聚合物电解质高稳定锂负极界面研究进展

为高效发挥阻燃聚合物电解质所具备的轻质、柔性、固-固界面相容性好等优势,推动电化学能源存储体系向安全可靠的全固态转型,基于锂离子(Li^(+))配位团簇结构复杂等特点,分析分子间通过竞争作用调控阻燃聚合物电解质衍生的固体电解质界面膜(SEI)所面临的挑战,综述国内外阻燃聚合物电解质高稳定性界面构筑、锂离子配位结构设计、离子输运机制、界面热稳定性等方面的研究进展,预测聚合物电解质内部分子间作用主导调控的Li^(+)配位结构在提高锂金属-电解质稳定性领域的应用前景,展望未来全固态锂金属电池中阻燃聚合物电解质的研究发展方向。研究结果表明:调控Li^(+)配位团簇结构是提高锂金属负极/阻燃聚合物电解质界面稳定性的关键。研究结果可为全固态锂金属电池实际应用提供界面设计参考。

固态电解质的研究进展及其优化策略

全固态锂电池因具有高的能量密度和安全性,被认为是下一代最具前景的储能装置。固态电解质作为全固态锂电池的核心部件,因具有不可燃性、高机械性能和与锂金属相容性好等优点备受广泛关注。然而,较低的离子电导率、锂枝晶生长、固态电解质-电极间界面问题限制了固态电解质在全固态锂电池中的实际应用。对氧化物基固态电解质、硫化物基固态电解质、聚合物基固态电解质以及复合固态电解质的特征及研究进展进行了概述,阐述了不同类型固态电解质所面临的锂枝晶生长、界面电阻等问题,并提出了相应的优化策略。指出了全固态电池中全固态电解质当前面临的挑战。简要介绍了基于复合固态电解质在全固态锂电池中应用的研究进展,以希望能够为全固态锂电池的应用发展以及加快其商业化应用提供帮助。

固态硫化物电解质与锂金属负极的界面稳定性研究进展

采用固态电解质和金属锂的全固态锂电池被认为是解决传统使用液态电解质的锂离子电池安全性差和能量密度低的终极方案。近年来,固态硫化物电解质在离子电导率和空气稳定性研究等方面取得了较大进展,但固态硫化物电池体系还有一些问题亟需解决,最为重要的就是固态硫化物电解质与锂金属负极的界面稳定性问题。因此,构建稳定的固态电解质/锂金属负极界面是实现高性能全固态锂电池的关键。该文针对目前基于硫化物电解质的全固态锂电池所面临的机遇和挑战,总结了固态硫化物电解质/锂金属负极界面所面临的问题和设计策略。

NASICON型Na_(1+x)Zr_(2)Si_(x)P_(3-x)O_(12)固态电解质及其钠金属电池研究进展

锂离子电池由于具有较高的工作电压和能量密度实现了商业化。然而,有限的锂资源限制了其广泛应用。钠离子电池展现出与锂离子电池相似的电化学特性,并且钠盐资源更加丰富,因此受到了广泛关注。目前,钠离子电池使用的是有机电解液,这存在一系列安全隐患,如漏液和燃烧等,采用固态电解质可以有效解决这些问题。然而,电解质的离子电导率仍有待提升,且材料制备的一致性及与电极间的界面阻抗问题限制了其广泛应用。针对离子电导率的问题,总结分析了不同价态离子取代的影响。针对存在的界面问题,从正极、负极两侧分析了现有Na_(1+x)Zr_(2)Si_(x)P_(3-x)O_(12)电解质的界面改性方法。最后,对Na_(1+x)Zr_(2)Si_(x)P_(3-x)O_(12)电解质的发展方向进行了展望,有望推动固态钠离子电池的发展。

聚合物固态电解质界面及其优化的研究进展

基于聚合物电解质的固态锂金属电池具有较高的安全性和稳定性,是下一代储能装置的理想选择。然而,电极与聚合物电解质之间的界面仍然是阻碍固态锂金属电池实际发展的关键问题。因此,对聚合物电解质与正负极之间的界面问题进行详细介绍,包括界面接触不良、电极相容性差以及锂枝晶生长,并总结了缓解界面问题的有效方法,展望了聚合物电解质界面的研究方向,为高能量密度固态锂金属电池的研发提供指导。

凝胶电解质中间层引入和改善Li|LATP电解质界面研究

LATP(Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_(4))_(3))的NASICON型氧化物固态电解质,具有高锂离子电导率,且在空气中的化学稳定性方面优于其他固态电解质,并且其原材料价格低廉,因此受到广泛关注。然而,对锂金属的不稳定性和固|固界面接触问题限制了LATP的应用。本文中通过将凝胶电解质引入Li|LATP界面,这显著降低了界面电阻(对称电池电阻从3680Ω降低到450Ω),改善了界面的接触,对称电池能够在0.2 mA·cm^(-2)的电流密度下稳定循环600 h,并可以在0.3 mA·cm^(-2)的电流密度下稳定循环超过400 h。在固定时间(0.5 h)的变电流循环下能承受2 mA·cm^(-2)的电流密度。以LiFePO_(4)作为正极构筑的全固态全电池在0.1 mA·cm^(-2)的电流密度下循环,其初始放电比容量以及200次循环后的放电比容量分别为136.18 mAh·g^(-1)和125.48 mAh·g^(-1),容量保持率为92%。

面向高性能锂-硫二次电池应用的非对称电极-电解质界面

锂-硫电池具有高的理论电芯比能量和低成本,是极具应用前景的下一代电化学储能技术,已被广泛研究。实用化锂-硫电池技术目前面临的挑战主要包括正极侧电活性硫物种在充放电过程中的不可逆损失,负极侧枝晶形核生长,以及因活性硫迁移至负极而导致的界面副反应,上述问题会导致电池工况条件下性能迅速衰退,引发电池失效和安全问题。本工作中,我们提出通过设计非对称的电极-电解质界面稳定锂-硫电池正负极电化学,协同促进电极/电解质体相和界面电荷输运,从而延长电池循环寿命,显著提升电化学性能。本文所讨论的策略有望指导电池界面理性设计,助力实现高性能的锂-硫电池。

全固态电解质Cu/CuSO_(4)参比电极的性能

针对传统埋地长效Cu/CuSO_(4)参比电极使用寿命短,易损坏的缺点,研发了全固态电解质Cu/CuSO_(4)参比电极。通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和压汞法分析了全固态电解质微观形貌、元素分布和结构;采用电化学试验、离子扩散试验和电极埋地试验等测试了该电极的性能。结果表明:全固态电解质形成了致密的微孔结构;全固态电解质Cu/CuSO_(4)参比电极具有良好的电位稳定性和抗极化性能,温度系数为0.862 mV/℃;该参比电极中Cu^(2+)流失速率仅有为传统Cu/CuSO_(4)参比电极的1/3,该参比电极在土壤环境中具有优异的性能,可用于工程应用。

F掺杂Li_(2)OHX(X=Cl,Br)固态电解质的界面稳定性和离子输运的第一性原理计算研究

全固态结构的关键因素是固态电解质材料,它应具有良好的相稳定性和电化学稳定性,以及在室温下的高锂离子电导率。本研究采用第一原理计算,对F掺杂的Li_(2)OHX(X=Cl,Br)固态材料的相稳定性、电化学稳定性、化学稳定性和电子/离子传输特性进行了系统的研究。计算结果表明,F掺杂的Li_(2)OHX(X=Cl,Br)在0 K时是热力学亚稳态且宽带隙的电子绝缘体,可以通过实验合成。与一些硫化物和氧化物基固体电解质相比,该材料表现出更宽的电化学稳定性窗口(0.80-3.15 V)。此外,当与典型的正极材料(LiCoO_(2),LiMn_(2)O_(4),LiFePO_(4))接触时,F掺杂的Li_(2)OHX(X=Cl,Br)显示出良好的化学稳定性。对于离子输运性质,用F~-替代部分OH~-被证明能有效地降低Li_(2)OHX(X=Cl,Br)的锂离子迁移势垒。这些发现为进一步设计高性能固态电解质提供了一个理论指导。

固态电解质与电极界面的稳定性

相比于有机体系锂离子电池,全固态锂金属电池有望同时提高电池安全性和能量密度,因而受到广泛的研究和关注.固态电解质的电化学窗口决定了电解质在高压电池充放电过程中是否保持稳定.目前的固态电解质,热力学稳定电化学窗口较窄,限制了其与高电压正极以及锂金属负极的匹配.因而能否形成动力学稳定的界面,决定了全固态电池是否能够持续高效工作.本文总结归纳了固态电解质的热力学稳定窗口的实验和理论计算研究进展,并对提高界面稳定性的实验进展进行了简述.在此基础上,提出构建动力学稳定性界面及防止锂枝晶的思路,并展望了全固态电池界面构建的研究方向.

无机固态电解质及其电极-电解质界面优化对全固态锂离子电池性能提高的研究进展

固态电池研究的重点在于开发高离子电导率的固态电解质,并优化固态电解质和电极的界面问题.首先以近年来受到广泛研究的无机固态电解质为中心,主要介绍通过固相烧结、液相烧结、溶胶凝胶法等方法制备的包括LiPON型、钙钛矿型、石榴石型和NASICON型在内的4种无机固态电解质及其在全固态锂离子电池中的应用;其次,通过对固态电解质表面修饰及界面优化,并结合不同的修饰方法讨论了界面优化的本征机制;最后对固态电池的研究开发、应用及发展前景进行了展望.