无机全固态锂离子电池界面性能研究进展

固体电解质不存在易燃等安全问题, 发展固态锂电池技术是解决液体电解质锂电池安全问题的根本途径. 随着社会对大体积锂离子电池需求的增长以及人们对电池的安全性关注度的日益提高, 发展固态锂离子电池已迫在眉睫. 制备性能良好的全固态锂电池的关键在于获得高室温离子导电率的固体电解质以及在电极与电解质之间形成良好的接触面. 大量的研究集中在制备高室温导电率的固体电解质, 目前已经制备出能与液体电解质相媲美的高室温导电率的固体电解质, 但固态锂电池的高倍率性能仍然较差, 原因是在电极与固体电解质的界面处具有较高的阻抗. 关于固态锂电池电极与电解质界面的研究文章相对较少. 本文简要介绍了一些具有高室温导电率的氧化物及硫化物电解质, 着重分析了全固态锂电池电极与电解质界面处具有高阻抗的原因以及减少界面阻抗的界面改性方法.     

全固态钠离子电池及界面改性

全固态钠离子电池具有原料成本低、安全性高以及能量密度高等特点,在移动电源、电动汽车和大规模储能系统领域表现出巨大的应用潜力。然而全固态钠离子电池的发展和规模化应用亟需解决固体电解质室温离子电导率低、界面电荷转移阻抗大、固体电解质与电极界面兼容性和接触差等问题。本文结合近年来全固态钠离子电池相关报道和本课题组研究成果,概述了β-Al₂O₃型固体电解质、NASICON型固体电解质、硫化物固体电解质、聚合物固体电解质、复合固体电解质的研究进展及发展趋势;综述了全固态钠离子电池界面特性、固体电解质表面修饰、电极/固体电解质界面改性最新研究成果;最后对全固态钠离子电池界面改性策略发展方向进行了展望。本综述有助于加深对全固态钠离子电池界面科学问题的认识,并对固态钠离子电池的发展应用形成理论指导。     

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。     

PAn/PEO-LiClO4界面的交流阻抗研究

近年来,交流阻抗方法已成功地应用于固体电极-电解质界面电化学性能的研究.特别是最近几年,聚氧化乙烯-锂盐复合物(PEO-LiX)系列高分子电解质材料研究的深入,研制以高分子电解质为隔膜的全固态锂电池的设想已成可能.前人用交流阻抗方法对Li/PEO-LiX和钒氧阴极/PEO-LiX界面行为研究已作了大量工作,并获得相关锂电池电极界面电化学性能的理论数据.本文用化学氧化法合成聚苯胺(PAn)阴极材料和本室改进的PEO-LiClO_4复合物作室温固体电解质,研究PAn/PEO-LiClO_4电极界面的电化学性能,获得一些新的结果。     

全固态钠离子电池硫系化合物电解质

全固态钠离子电池具有资源丰富、安全性高等优势,作为未来大规模储能的重要选择而成为近年来先进二次电池前沿研究热点。钠离子硫系化合物电解质室温离子电导率高、弹性模量高、容易冷压成型,能增强电极/电解质界面接触、减小界面阻抗、缓冲电极材料在充放电过程中的应力/应变,是全固态钠离子电池的研究重点。本文对钠离子硫系化合物固态电解质的结构及性质进行了总结,讨论了硫系化合物电解质的本征特性、与电极的界面稳定性,并介绍了硫系化合物全固态钠离子电池的研究现状,最后分析了硫系化合物电解质面临的挑战及今后的发展方向。     

聚合物固态锂电池电解质/负极界面

动力电池领域对锂二次电池的能量密度和安全性提出了更高要求,研究高能量密度固态锂电池对发展新能源产业具有重要意义。相比传统的有机电解液锂离子电池,采用聚合物固体电解质的聚合物固态锂电池不但具有明显提升的安全性,而且能够匹配高容量电极材料,实现能量密度的有效提升。聚合物固态锂电池是最有前景的锂二次电池之一,然而聚合物固体电解质与锂负极间仍存在严重的界面副反应、锂负极表面易生长枝晶等问题。近年来,通过电解质成分调控、电解质力学性能提升、电解质/锂负极界面调控和匹配三维锂负极等手段,聚合物基固态锂电池性能明显提升。基于此,本文介绍了常见的聚合物固体电解质及其与锂负极间的界面挑战,从添加无机填料、使用高强度基底膜、分级层状结构设计、构筑界面缓冲层、交联网络设计以及固态锂负极保护等几个方面综述了提升聚合物基电解质/锂负极界面稳定性的最新研究成果,最后对解决聚合物固体电解质/锂负极界面兼容性的研发方向和发展趋势进行了展望。     

高性能硫化物基全固态锂电池设计：从实验室到实用化

全固态锂电池因其优异的安全性和高能量密度成为储能领域的重点研究内容。硫化物电解质因其高离子电导率、良好电极/电解质界面兼容性及易加工性,有力推动了硫化物基全固态锂电池的发展。本文首先从实验室研究阶段出发,从正极/电解质界面、硫化物电解质自身及负极/电解质界面三方面阐述了硫化物基全固态锂电池现阶段面临的主要问题,并介绍了相关的解决策略。随后从硫化物基全固态锂电池的实用化生产角度出发,介绍了电极/电解质膜的制膜工艺、软包电池的装配相关问题、高载正极的设计及硫化物电解质的大规模、低成本制备。最后展望了硫化物基全固态锂电池的未来研究方向和发展趋势。     

固态锂电池中正极/电解质界面的密度泛函计算研究（英文）

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-Li_3PS_4(010)/LiCoO_2(104)和Li_4GeS_4(010)/LiCoO_2(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人们在固态电池中构建性能优异的电极/电解质界面.     

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.     

全固态锂金属电池表界面化学的研究进展

传统的锂金属电池存在电解液易泄漏、 易燃等安全隐患, 因此开发不燃性全固态电解质对于解决锂金属电池安全问题至关重要, 而如何有效降低固体电解质与电极之间的界面电阻是发展高性能全固态锂金属电池的关键. 针对如何优化全固态锂金属电池表界面的问题, 本文综述了全固态锂金属电池电极和电解质表面修饰的最新研究进展, 对提高界面接触和降低界面电阻的传统方法进行了探讨, 分析并点评了新型的表面修饰技术, 为进一步提高全固态锂金属电池的综合性能提供新思路. 最后, 对全固态锂金属电池的研究前景进行了展望.     

固态锂金属电池中原位聚合电解质的研究进展

在下一代电池体系中,固态金属锂电池具有高能量密度潜力,同时有望避免目前电池面临的燃烧、爆炸等安全隐患.其中,固态电解质和电极材料之间的固-固界面接触差是其实用化面临的重要挑战.近年来,经电池内部原位聚合反应制得的原位聚合电解质用于固态锂金属电池具备界面一体化提升固-固界面相容性、抑制枝晶的形成、抑制正极过渡金属离子/多硫化物/氧化还原介质的溶解/穿梭并提升电池电化学性能多种优势.本文首先讨论了聚合电解质的反应机理,然后分析了电池内部常见电解质的原位聚合原理,总结了固态锂金属电池中原位聚合电解质的最新研究进展.最后,对未来原位聚合电解质的发展方向和商业化应用进行了展望.     

固态锂电池界面优化策略的研究进展

固态锂电池具有安全性好、能量密度高等优点,在新能源汽车和智能电子等领域具有广泛的应用前景。然而,由化学/电化学和物理因素引起的界面副反应与高界面阻抗问题制约了其进一步发展。先前的综述已对解决化学/电化学界面问题的方法有了相对全面的阐述,但并未细致讨论不同结构固态电池中物理界面的影响及应对策略。本文将简要介绍化学/电化学界面问题及其解决方案;重点按结构特点将固态锂电池分为三明治结构、粉末复合结构和3D一体化结构,细致地分析不同电池结构的物理界面特点与优化策略,并对各种策略的优缺点进行比较分析;最后,对固态锂电池电极/电解质界面的未来研究方向进行展望。     

固态锂电池电极过程的原位研究进展

固态锂电池(SSLBs)由于其安全性和潜在的高能量密度优势, 被认为是下一代动力电池的重要发展方向. 然而, 目前仍存在固态电解质离子电导率低, 电极/电解质界面兼容性和稳定性差等瓶颈问题. 为了提高SSLBs的性能, 阐明循环过程中电极、固态电解质及其界面间的动态演化是至关重要的. 在过去的几十年里, 各种先进原位表征技术的出现, 促进了对高性能锂电池内部工作机制的理解, 推动了SSLBs进一步发展. 本综述系统地介绍了近几年原子力显微镜、电子显微镜、X射线显微镜等成像表征技术和拉曼光谱、X-ray基技术、中子深度分析等成分分析技术的原位研究进展. 重点分析了各类表征技术在SSLBs循环过程中形貌和组分的演化, 包括正极材料的相变、形变, 金属锂的沉积/溶解、锂枝晶生长, 固态电解质结构演化和固体电解质中间相的形成, 进一步加深了对固态锂电池的理解.     

锂电池电极过程的原位电化学原子力显微镜研究进展

随着人类对能源的使用与存储需求不断增加,高能量密度和高安全性能的二次锂电池体系正在被不断地开发与完善.深入理解充放电过程中锂电池内部电极/电解质界面的电化学过程以及微观反应机理,有利于指导电池材料的优化设计.原位电化学原子力显微镜将原子力显微镜的高分辨表界面分析优势与电化学反应装置相结合,能够在电池运行条件下实现对电极/电解质界面的原位可视化研究,并进一步从纳米尺度上揭示界面结构的演化规律与动力学过程.本文总结了原位电化学原子力显微镜在锂电池电极过程中的最新研究进展,主要包括基于转化型反应的正极过程、固体电解质中间相的动态演化以及固态电池界面演化与失效分析.     

钠基固体电解质及其在能源上的应用

由于以钠基固体电解质为核心的新型钠电池体系具有低成本和高安全性,在能源领域应用潜力巨大。高离子电导率和稳定性是钠基固体电解质应用于新型钠电池体系的前提。近年来,人们通过对制备方法改进和掺杂改性等方面的研究显著提高了钠基固体电解质的离子电导率和稳定性。此外,新型钠电池体系亟需解决固体电解质与电极间的界面接触性差和界面稳定性差等问题。本文首先总结了β″-Al₂O₃、NASICON型、硫化物类和聚合物类钠基固体电解质的研究进展,然后介绍了钠基固体电解质在以钠-硫电池,有机/水混合系钠-空气电池和全固态钠离子电池为代表的新型钠电池体系中的应用情况,并对界面问题和采取的解决策略进行系统论述。基于固体电解质的新型钠电池体系在能源上的大规模应用还需要电池材料、界面和电池设计等多方面的研究同时突破。     

固态锂电池中金属锂负极与固体电解质界面的关键挑战

随着新能源汽车的快速发展,车用锂电池的安全性能备受关注。不同于传统锂离子电池采用可燃有机液体电解液,固态锂电池采用无机类固体电解质,具有不可燃、不漏液、高安全、长寿命等一系列优点。此外,固体电解质可兼容高容量金属锂负极,进而实现高能量密度(300 Wh/kg)。然而,由于固体电解质缺乏流动性,其与金属锂负极的界面问题已经成为制约固态锂电池发展的瓶颈。本文简要讨论了金属锂负极与固体电解质界面所存在的几项关键挑战:(1)界面润湿;(2)枝晶生长;(3)金属锂的利用率等问题,并介绍了针对这几项关键问题的近期研究进展。     

锂离子电池用聚合物/无机复合固态电解质研究进展

全固态锂离子电池由于具有安全性高、能量密度高等优势,已成为未来锂离子电池发展的必经之路。作为全固态锂离子电池的核心部件,聚合物/无机复合固态电解质同时拥有无机固态电解质和固态聚合物电解质的许多优异性能,但其也面临着诸多挑战,包括室温离子电导率低于10~(-3)S/cm和界面阻抗大等。本文综述了聚合物/无机复合固态电解质的聚合物基体选择,探究了无机填料的种类及其改性方法,以及总结了复合固态电解质膜的制备工艺并对其未来可能的发展方向进行展望。     

电化学阻抗谱法测定固态聚合物电解质的本体电阻

采用电化学阻抗谱法,对阻抗谱中的聚合物电解质本体电阻（Rb）与膜厚（L）的关系和固体聚合物电解质/惰性电极间的界面阻抗随直流电压的变化趋势进行了研究.结果表明,阻抗谱中聚合物电解质本体电阻（Rb）含有一定的阻塞电极/聚合物电解质间的界面阻抗;由于界面双电层电容的变化,在直流电压0.15～3 V范围内,界面阻抗随电压的增大而减小.     

金属锂二次电池锂负极改性

本文综述了金属锂二次电池中提高锂负极性能的研究进展。分别介绍了以下改性方法:对金属锂表面进行预处理,使其表面预先形成性能良好的固体电解质界面膜,或直接在其表面制备保护膜;在电解液中加入添加剂对锂电极进行表面改性;采用新型有机溶剂、离子液体、聚合物电解质、玻璃态固体电解质、塑晶固体电解质等电解质体系提高界面相容性;改进金属锂电极的制备工艺,如制备金属锂粉末多孔电极和电沉积锂电极、制备全固态薄膜锂电池以及利用物理方法处理锂电极。并在此基础上对今后的发展趋势进行了展望。     

Li2S-P2S5体系电解质及其在全固态锂离子电池中的应用研究进展

全固态锂离子电池具有安全性能好、能量密度高、工作温区广等优点,被广泛应用于便携式电子设备。固态电解质是全固态锂离子电池的关键材料之一,其中的硫化物电解质具有离子电导率高、电化学窗口宽、晶界电阻低和易成膜等特点,被认为最有希望应用于全固态锂离子电池。本文综述了Li_2S-P_2S_5体系电解质的发展状况,包括固态电解质的制备、改性、表征以及电极/固态电解质之间的固-固界面的稳定兼容问题。本文还涉及了以Li_2S-P_2S_5为电解质的全固态锂离子电池性能的研究进展。