低成本硫化物固态电解质Li6-xPS5-xClx的制备与性能研究

硫化物固体电解质以其室温电导率高,热稳定性好,电化学窗口宽等特点,在高功率及室温固态电池方面优势突出,是极具潜力的固态电解质材料. 但制备其所需的高纯度Li₂S原料高昂的价格使其实际应用受到掣肘,故本文使用单质锂金属（99.9%）、升华硫、氯化锂和五硫化二磷等低成本原料,采用球磨法和高温热处理制备得到了Li_6-xPS_5-xCl_x（x = 0.5）固态电解质粉末,通过X射线衍射（XRD）、拉曼（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）对Li_6-xPS_5-xCl_x（x = 0.5）固态电解质进行了表征,并使用交流阻抗法测试了其电导率,电导率可达8.29×10 ^-4 S·cm ^-1,将Li_6-xPS_5-xCl_x（x = 0.5）固态电解质粉末进行冷压制片,制成Li对Li半电池后显示了良好的循环性能.     

石榴石结构Li7La3Zr2O12固态电解质掺杂改性研究进展

锂离子电池是目前发展最快的化学储能电源,使用固态电解质的固态锂离子电池相比传统液态电解质锂离子电池能量密度更高,安全性更好,是下一代锂离子电池的发展方向。石榴石结构Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)固态电解质凭借较高的离子电导率、宽的电化学窗口及优异的稳定性,成为了最具商业前途的固态电解质之一。本文从石榴石结构LLZO电解质的发展脉络出发,剖析了石榴石结构LLZO电解质的结构特性、离子传导机制及其具有的高的结构稳定性和离子传导能力的本源,在此基础上综述了石榴石LLZO电解质的单元、双元、多元体相掺杂改性以提升电解质本征离子电导率,第二相掺杂改性以提升电解质的抗锂细丝生长能力、陶瓷致密度等性能,最后对石榴石结构LLZO电解质材料掺杂改性方向进行了分析和展望,为推动全固态锂离子电池电解质的发展提供参考。     

Li10GeP2S12固态电解质电极界面特性研究

采用高温固相法合成了固态电解质Li₁₀GeP₂S₁₂,其室温离子电导率为2.02×10^-3 S/cm,并组装了LiNbO₃@LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂/Li₁₀GeP₂S₁₂/Li全固态电池.恒流充放电测试表明全固态电池首次放电容量121.2 mAh/g,库伦效率40周后稳定在99.8%左右,循环100周后容量保持率达93.7%.电化学阻抗谱的测试结果表明,其典型的阻抗谱图由高频区半圆（HFS）、中频区半圆（MFS）和低频区斜线（LFL）组成,其中,HFS归属于电解质阻抗（R_el//Q_el）,MFS归属于电荷传递过程（R_ct//Q_dl）,LFL归属于锂离子的固态扩散过程.通过选取适当的等效电路,对实验所得的电化学阻抗谱数据进行拟合,并分析了R_el和R_ct随电极电位的变化规律.     

Ta 5+掺杂Li7La3Zr2O12的合成及其性能研究

本文采用固相法制备了Ta ⁵⁺掺杂的石榴石型无机固体电解质Li_7-xLa₃Zr_2-xO₁₂（xTa-LLZO）,研究了不同的掺杂量对材料性能的影响. 通过X射线发射光谱（XRD）、冷场发射电子扫描电镜（FESEM）和电化学阻抗（EIS）对材料进行物理表征和阻抗测试,并且组装LiFePO₄//LLZTO//Li全固态锂电池测试电池的循环稳定性. 结果表明,随着Ta ⁵⁺掺杂的增加,材料呈现出一个单一的立方相结构,当Ta ⁵⁺掺杂量为14.09wt.%（即x=0.3）时,材料的室温离子电导率达到最大（2.58×10 ^-4 S·cm ^-1）,呈现出稳定的立方相结构且具有相对较高的致密度（89.16%）,并具有较稳定的循环稳定性,经过50个循环后容量保持率依然保持到88.67%左右.     

一种应用前景可观的新能源材料——尖晶石型Li4Ti5O12 *

各种锂离子电池电极材料作为十分重要的新能源材料近些年来受到前所未有的广泛关注。负极材料尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂由于其特殊的“零应变”性等优良性质越来越多地受到研究者的青睐,成为一种应用前景可观的锂离子电池用负极材料。同时,其很多性能也很符合电动汽车用储能器件对电极材料的要求,也被研究用于新近提出的非对称超级电容器中。本文介绍了Li₄Ti₅O₁₂的结构和性能;从制备方法（溶胶-凝胶法、固相合成法等）、掺杂改性和与其他材料复合等几个方面介绍了国内外关于Li₄Ti₅O₁₂的制备和改性方面的研究进展;并对Li₄Ti₅O₁₂在各种器件中的应用研究进展做了介绍。     

锂离子电池高容量合金基含锂负极材料的研究进展

现有的以石墨为负极的锂离子电池能量密度逐渐接近其理论极限. 基于合金化反应机制的高容量含锂负极材料Li_xM_y(M为能够和锂发生合金化反应的元素)是一类新兴的负极材料, 具有数倍于石墨的储锂比容量, 且可以为电池提供活性锂源. 这些特性使其能够与高容量无锂正极材料(如S, O₂, FeF₃和V₂O₅等)相匹配, 构建下一代高比能锂离子电池新体系. 本文综述了近年来高容量合金基含锂负极材料(如Li_xSi, Li_xSn, Li₃P和Li_xAl基系列材料)的研究进展, 分析了所面临的挑战, 概述了材料的合成与电极的制备方法, 并介绍了它们在常规锂离子电池、 锂离子-硫电池及锂离子-空气电池等多个全电池体系中的应用实例, 提出并举证了其电化学性能优化与调控的策略, 最后展望了未来的研究方向.     

固态锂电池中正极/电解质界面的密度泛函计算研究

锂离子电池的广泛应用对储能器件的能量密度、安全性和充放电速度提出了新的要求. 全固态锂电池与传统锂离子电池相比具有更少的副反应和更高的安全性,已成为下一代储能器件的首选. 构建匹配的电极/电解质界面是在全固态锂电池中获得优异综合性能的关键. 本文采用第一性原理计算研究了固态电池中电解质表面及正极/电解质界面的局域结构和锂离子输运性质. 选取β-Li₃PS₄ (010)/LiCoO₂ (104)和 Li₄GeS₄ (010)/LiCoO₂ (104)体系计算了界面处的成键情况及锂离子的迁移势垒. 部分脱锂态的正极/电解质界面上由于Co-S成键的加强削弱了P/Ge-S键的强度,降低了对Li⁺的束缚,从而导致了更低的锂离子迁移势垒. 理解界面局域结构及其对Li+输运性质的影响将有助于我们在固态电池中构建性能优异的电极/电解质界面.     

NixCo1-xS2的水热法制备及热电池放电性能

以氯化镍、 硫酸钴、 硫代硫酸钠为反应物, 通过水热法合成系列Ni_xCo_1-xS₂(x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0)粉体材料; 采用X射线衍射光谱仪(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 激光粒度分布仪和差热分析仪(DTA)等对材料进行表征; 采用粉末压片工艺将材料与锂硅合金和LiCl-KCl(MgO)熔盐电解质装配成单体电池, 考察了Ni_xCo_1-xS₂正极材料中镍、 钴的含量对其放电性能的影响. 结果表明, 当x=0.3时, Ni_xCo_1-xS₂正极材料在100 mA/cm²恒流放电时, 单体电池放电电压可以达到1.899 V, 截止电压为1.5 V时比容量为276.5 mA·h/g, 放电过程中单体电池内阻较低, 放电性能最好.     

不同取代位掺杂对Li4Ti5O12结构及性能的影响

锂离子负极材料Li₄Ti₅O₁₂具有资源与性能等方面的优势,正在成为新一代储能和动力领域的研究重点.本文综述了掺杂离子在晶格中所处的不同取代位置及本身性质对Li₄Ti₅O₁₂结构和性能的影响.取代Li的位于四面体(8a)位置的掺杂元素阻碍锂离子的扩散;取代Li的位于八面体(16d)位置的掺杂元素会影响Li离子在晶格中的分布;取代Ti的位于八面体(16d)位置的掺杂元素会影响Li₄Ti₅O₁₂的结构稳定性;取代O的位于八面体(32e)位置的掺杂元素会影响Li₄Ti₅O₁₂的导电性.一定条件下在Li₄Ti₅O₁₂中掺入高价态的元素取代Li⁺、Ti⁴⁺、O^2-,均能提高Li₄Ti₅O₁₂电子导电能力.掺杂元素各异的能带结构和氧化还原行为会影响Li₄Ti₅O₁₂的电化学反应过程.掺杂元素的离子半径和最终能够进入晶格的数量会改变Li₄Ti₅O₁₂的晶格常数和微观组织形貌.     

锂离子电池正极材料的晶体结构及电化学性能

正极材料是锂离子电池的重要组成部分。作为提供自由脱嵌锂离子的正极材料,其晶体结构的特点决定了锂离子脱嵌路径方式的不同,并对锂离子电池的电化学性能等产生明显影响。本文根据正极材料的晶体结构和锂离子“脱嵌/嵌入”路径方式的不同,重点讨论了一维隧道结构、二维层状结构和三维框架结构正极材料的晶体结构特点、锂离子“脱嵌/嵌入”路径和其电化学性能之间的关系,主要包括一维隧道结构正极材料LiFePO₄,二维层状结构正极材料LiMO₂(M=Co, Ni, Mn)、Li_1+xV₃O₈和Li₂MSiO₄ (M=Fe, Mn) 以及三维框架结构正极材料LiMn₂O₄和Li₃V₂(PO₄)₃。揭示了目前锂离子电池正极材料的研究现状和存在问题,并对今后的发展方向进行了评述。     

高陶瓷含量复合固态电解质

全固态锂二次电池兼具高能量密度和高安全性特点。高陶瓷含量的陶瓷-聚合物复合固态电解质综合了聚合物电解质的柔韧性和陶瓷电解质的高机械强度与高锂离子迁移数等优点,有望优先其他形式固态电解质应用于全固态锂二次电池。本文在简要介绍固态复合电解质后,重点从复合电解质膜的性能特点与制备方法、陶瓷-聚合物界面相互作用以及由此导致的新的离子传导机制等方面介绍高陶瓷含量陶瓷-聚合物复合固态电解质的研究进展。最后,展望了复合固态电解质所面临的一些基础科学与应用问题,并从陶瓷-聚合物界面相互作用角度提出未来复合固态电解质的研究方向和可能的解决方案。我们希望本文对于其他传导离子的复合电解质也有借鉴和启发意义。     

Lithium Chlorides and Bromides as Promising Solid‐State Chemistries for Fast Ion Conductors with Good Electrochemical Stability

Enabling all‐solid‐state Li‐ion batteries requires solid electrolytes with high Li ionic conductivity and good electrochemical stability. Following recent experimental reports of Li₃YCl₆ and Li₃YBr₆ as promising new solid electrolytes, we used first principles computation to investigate the Li‐ion diffusion, electrochemical stability, and interface stability of chloride and bromide materials and elucidated the origin of their high ionic conductivities and good electrochemical stabilities. Chloride and bromide chemistries intrinsically exhibit low migration energy barriers, wide electrochemical windows, and are not constrained to previous design principles for sulfide and oxide Li‐ion conductors, allowing for much greater freedom in structure, chemistry, composition, and Li sublattice for developing fast Li‐ion conductors. Our study highlights chloride and bromide chemistries as a promising new research direction for solid electrolytes with high ionic conductivity and good stability.     

高锂离子电导的有机-无机复合电解质的渗流结构设计

固态聚合物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。近年来,基于无机填料与聚合物电解质的高锂离子电导的有机-无机复合电解质备受关注。根据渗流理论,有机-无机界面被认为是复合电解质离子电导率改善的主要原因。因此,设计与优化有机-无机渗流界面对提高复合电解质离子电导率具有重要意义。本文从渗流结构的设计出发,综述了不同维度结构的无机填料用于高锂离子电导的有机-无机复合电解质的研究进展,并对比分析了不同渗流结构的优缺点。基于上述评述,展望了有机-无机复合电解质的未来发展趋势和方向。     

锂/钠离子电池材料的固体核磁共振研究进展

固体核磁共振技术是一种定量分析固体材料结构与组成的强有力手段,结合固体核磁共振和常规x-射线衍射(XRD)、 x-射线吸收谱(XAS)等表征方法可对锂/钠离子电池材料在电化学反应中的结构演化过程进行全面的分析. 例如通过固体核磁共振研究, 可获得不同合成与修饰条件下, 锂/钠离子电池电极和电解质材料体相以及电极/电解质界面层的化学组成、局域结构和离子扩散动力学等信息,为高性能电池材料的设计和研发提供重要的基础数据. 本文结合本课题组的研究工作,综述了近三年来国内外固体核磁共振技术在锂/钠离子电池电极、电解质材料以及固体电解质界面膜（SEI）研究中的应用和进展.     

Vacancy‐Controlled Na+ Superion Conduction in Na11Sn2PS12

Highly conductive solid electrolytes are crucial to the development of efficient all‐solid‐state batteries. Meanwhile, the ion conductivities of lithium solid electrolytes match those of liquid electrolytes used in commercial Li⁺ ion batteries. However, concerns about the future availability and the price of lithium made Na⁺ ion conductors come into the spotlight in recent years. Here we present the superionic conductor Na₁₁Sn₂PS₁₂, which possesses a room temperature Na⁺ conductivity close to 4 mS cm^?1, thus the highest value known to date for sulfide‐based solids. Structure determination based on synchrotron X‐ray powder diffraction data proves the existence of Na⁺ vacancies. As confirmed by bond valence site energy calculations, the vacancies interconnect ion migration pathways in a 3D manner, hence enabling high Na⁺ conductivity. The results indicate that sodium electrolytes are about to equal the performance of their lithium counterparts.     

An advanced model framework for solid electrolyte intercalation batteries

Recent developments of solid electrolytes, especially lithium ion conductors, led to all solid state batteries for various applications. In addition, mathematical models sprout for different electrode materials and battery types, but are missing for solid electrolyte cells. We present a mathematical model for ion flux in solid electrolytes, based on non-equilibrium thermodynamics and functional derivatives. Intercalated ion diffusion within the electrodes is further considered, allowing the computation of the ion concentration at the electrode/electrolyte interface. A generalized Frumkin-Butler-Volmer equation describes the kinetics of (de-)intercalation reactions and is here extended to non-blocking electrodes. Using this approach, numerical simulations were carried out to investigate the space charge region at the interface. Finally, discharge simulations were performed to study different limitations of an all solid state battery cell.     

锂硫银锗矿固态电解质研究进展

全固态电池因其较高的安全性和能量密度而成为下一代电动汽车和智能电网用储能器件的重点研究方向之一。开发具有高室温锂离子电导率、化学/电化学稳定性优异、对电极材料兼容性优异等特点的固态电解质材料是推动全固态电池发展的重要研究课题之一。硫化物电解质因其相对较高的室温电导率(~10⁻³ S∙cm⁻¹)、较低的电解质/电极固-固界面阻抗等优点而在众多无机固体电解质材料中成为研究热点。本文基于作者多年研究成果和当前国内外发表的相关工作,从电解质的结构、离子传导、合成、综合性能改善及在全固态电池中的应用等方面系统总结了锂硫银锗矿固态电解质材料研究,并分析了该类电解质面临的问题和挑战,最后探讨了其未来可能的研究方向和发展趋势。     

锂离子电池非水电解质中Li迁移特性

电解质是锂离子电池的重要组成部分之一，其中Li＋的迁移特性对电池性能具有显著影响。本文综述了用于锂离子电池的凝胶、聚合物和非水液态电解质中Li+迁移特性的研究进展，分析了影响Li＋迁移的主要因素，并提出了进一步的研究重点和新的研究方法。     

Breaking Mass Transport Limitations by Iodized Polyacrylonitrile Anodes for Extremely Fast-Charging Lithium-Ion Batteries

The fast-charging capability of rechargeable batteries is greatly limited by the sluggish ion transport kinetics in anode materials. Here we develop an iodized polyacrylonitrile (I-PAN) anode that can boost the bulk/interphase lithium (Li)-ion diffusion kinetics and accelerate Li-ion desolvation process to realize high-performance fast-charging Li-ion batteries. The iodine immobilized in I-PAN framework expands ion transport channels, compresses the electric double layer, and changes the inner Helmholtz plane to form LiF/LiI-rich solid electrolyte interphase layer. The dissolved iodine ions in the electrolyte self-induced by the interfacial nucleophilic substitution of PF₆⁻ not only promote the Li-ion desolvation process, but also reuse the plated/dead Li formed on the anode under fast-charging conditions. Consequently, the I-PAN anode exhibits a high capacity of 228.5 mAh g⁻¹ (39 % of capacity at 0.5 A g⁻¹ delivered in 18 seconds) and negligible capacity decay for 10000 cycles at 20 A g⁻¹. The I-PAN||LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ full cell shows excellent fast-charging performance with attractive capacities and negligible capacity decay for 1000 cycles at extremely high rates of 5 C and 10 C (1 C=180 mA g⁻¹). We also demonstrate high-performance fast-charging sodium-ion batteries using I-PAN anodes.     

On the way to high-conductivity single lithium-ion conductors

Solid electrolytes can potentially address three key limitations of the organic electrolytes used in today’s lithium-ion batteries, namely, their flammability, limited electrochemical stability and low cationic transference number. The pioneering works of Wright and Armand, suggesting the use of solid poly(ethylene oxide)-based polymer electrolytes (PE) for lithium batteries, paved the way to the development of solid-state batteries based on PEs. Yet, low cationic mobility–low Li⁺ transference number in polymer materials coupled with sufficiently high room-temperature conductivity remains inaccessible. The current strategies employed for the production of single-ion polymer conductors include designing new lithium salts, bonding of anions with the main polyether chain or incorporating them into the side chains of comb-branched polymers, plasticizing, adding inorganic fillers and anion receptors. Glass and crystalline superionic solids are classical single-ion-conducting electrolytes. However, because of grain boundaries and poor electrode/electrolyte interfacial contacts, achieving electrochemical performance in solid-state batteries comprising polycrystalline inorganic electrolytes, comparable to the existing batteries with liquid electrolytes, is particularly challenging. Quasi-elastic polymer-in-ceramic electrolytes provide good alternatives to the traditional lithium-ion-battery electrolytes and are believed to be the subject of extensive current research. This review provides an account of the advances over the past decade in the development of single-ion-conducting electrolytes and offers some directions and references that may be useful for further investigations.