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。     

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。     

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。     

Li7P3S11电解质的合成、传导及应用

固态电解质是固态电池中的关键材料,开发具有高离子电导率、高化学/电化学稳定性、电极兼容性良好的固态电解质正成为研究热点。硫化物固态电解质相较其它固态电解质具有更高的离子电导率和良好的机械加工性能等优势,是最有前景实现实用化的固态电解质之一。在众多硫化物固态电解质中,Li₇P₃S₁₁因其高的离子电导率和较低的原料成本而极具研究意义。本文首先介绍了Li₇P₃S₁₁电解质的结构、Li⁺传导机理及合成路径;其次,针对该电解质的电导率提高、空气/水稳定性提升、固固界面稳定性及电解质自身稳定性改善等问题,综述了目前常用的改性策略研究;再次,总结了基于Li₇P₃S₁₁电解质的全固态锂离子电池和全固态锂硫电池的构筑;最后,本文分析了Li₇P₃S₁₁电解质的研究和应用面临的挑战,并指出该电解质未来发展的趋势。     

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。     

稀土溴化物固态电解质材料在全固态电池中的应用研究进展北大核心CSCD

全固态锂电池具有优异的安全性能和能量密度,有望成为替代传统有机液态锂离子电池的下一代储能产品。固态电解质是决定全固态电池性能的关键材料,其中卤化物固态电解质,尤其是稀土溴化物固态电解质(RE-BSEs)材料近年来在离子电导率(高达mS/cm数量级)和电化学稳定性(1.5~3.4 V vs.Li^(+)/Li)等方面取得了一系列重要的研究进展,具有可期待的应用前景。本文通过对RE-BSEs的发展历程、研究进展、技术瓶颈、发展方向和应用前景等方面进行综述和回顾,给予研究人员在RE-BSEs的合成方法、锂离子传输机理、构效关系和材料设计等方面的参考和启发。稀土是我国乃至世界的重要战略资源,RE-BSEs材料的研究和重要成果明示了稀土元素在固态离子导体和新能源领域的重大价值,因此,做好稀土在该方面的研究工作对能源结构调整、节能减排、碳达峰和碳中和具有重大意义。     

铝离子聚合物固态电解质

铝离子电池因其材料成本低、大倍率性能优异和循环寿命超长等优势,而被认为在大规模静态储能应用中具有广阔前景.目前的铝离子电池大部分采用离子液体、尿素和熔融盐等液态电解液,其在实际工程化应用当中存在电解液渗漏的风险.相对而言,全固态电池则可以避免电解液渗漏的问题,还具有因去除隔膜和简化封装所带来的电池整体能量密度提升的优点.但是,目前领域内少有关于全固态铝离子电池的研究.基于此,采用溶液浇筑法,以冠醚作为添加剂和配位基团、以聚乙二醇（PEO）作为基底,制备出无定型结构的聚合物固态铝离子电解质.其中,冠醚不仅作为配位基团与铝离子进行配位提高铝离子的稳定性,而且作为相容性高的添加剂降低聚合物结晶度,从而提高固态电解质的离子电导率.测试表明,制备出的18-6/PEO/Al（CF₃SO₃）₃体系聚合物固态铝离子电解质是非晶态为主的晶态与非晶态共存的薄膜,且具备很高的离子电导率（室温,5.5×10^-6 S/cm;100℃高温,1.86×10^-3 S/cm）和较宽的电化学稳定窗口（0~3 V）,这为全固态铝离子电池的研发奠定了基础.     

闭式十氢十硼酸盐的制备及其固体电解质应用研究进展

全固态电池是一种具有前景的电化学储能装置,它可以克服传统有机液体电解质电池的多方面不足,包括电解质易泄漏、稳定性低、易燃和能量密度有限等问题。固态电解质是全固态电池的重要组成部分,开发具有高离子电导率和宽电化学稳定性窗口的固体电解质是研制高能量和高功率密度全固态电池的关键问题之一。硼氢化物基固态电解质作为一类新型电解质,因具有高离子电导率、高热稳定性和低密度等优势而受到了广泛关注。其中,闭式十氢十硼酸碱金属盐是代表性材料之一。自1959年B₁₀H₁₀^2-被发现以来,其合成方法、结构与应用开发都得到了广泛研究。近年来其在固态电解质方面的研究证实,M₂B₁₀H₁₀（M=Na、Li等）及其衍生物具有高离子电导率、高热稳定性和化学稳定性、高电位窗口等特性,是一类颇具前景的固态电解质材料。本文主要综述了B₁₀H₁₀^2-合成方法及其在固态电解质方面的应用研究进展,并对今后B₁₀H₁₀^2-作为固态电解质的发展方向提出了展望。     

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。     

体相界面导通的复合快离子导体

正全固态电池由于其优异的安全性能和高的理论能量密度被认为是最具发展前景的下一代电化学储能体系~1。而固态电解质是发展高安全高能量密度的下一代固态电池的关键材料。自上个世纪六十年代开始,研究者们就开始了各种体系的固态电解质研究~(2,3)。目前固态电解质主要分为聚合物电解质和无机陶瓷类电解质两大类。聚合物电解质虽然可加工性好,但离子电导率(10~(-7)–10~(-6)S·cm~(-1),RT)离实际应用有一定距离~4。无机陶瓷电解质通常电导率高,     

PEO基聚合物电解质及其锂硫电池性能研究

锂硫电池由于具有高的理论比能量引起了广泛关注,然而传统液态锂硫电池由于多硫化物的“穿梭效应”以及安全问题而限制了其应用,全固态锂硫电池可显著提高电池安全性能并有望解决多硫化物的穿梭问题. 本文采用传统的溶液浇铸法制备了具有不同的[EO]/[Li⁺]的PEO-LiTFSI聚合物电解质,并将其应用于锂硫电池. 研究发现,虽然[EO]/[Li⁺] = 8的聚合物电解质具有更高的离子电导率,但是[EO]/[Li⁺] = 20的电解质与金属锂负极间的界面阻抗更低,界面稳定性更好. Li|PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)|Li对称电池在60 °C,电流密度为0.1 mA·cm^-2时可稳定循环超过300 h,而Li|PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)|Li对称电池循环75 h就出现了短路现象. 基于PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)电解质的锂硫电池首圈放电比容量为934 mAh·g^-1,循环16圈后放电比容量为917 mAh·g^-1以上. 而基于PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)电解质的锂硫电池,由于与锂负极较低的界面稳定性不能够正常循环,首圈就出现了严重过充现象.     

单离子聚合物快离子导体

具有高锂离子迁移数和良好可加工性能的锂快离子导体对于全固态电池的发展非常重要。然而,现有的锂快离子导体主要限制于硬质陶瓷,目前尚无柔性聚合物类型的锂快离子导体被报道。在这个工作中,我们报告了一种通过三种不同有机单体的自由基聚合反应形成的三元无规共聚单离子快离子导体(SISC)。该SISC中包含丰富的锂离子传输位点和具有阴离子锚定功能的阴离子受体。此外,三种不同单体的共聚反应带来低结晶度和低玻璃化转变温度(T_g),有利于链段运动,从而获得小的锂离子传输的活化能(E_a)。电化学测试结果表明,该SISC的室温离子电导率和锂离子迁移数分别达到1.29 mS∙cm⁻¹和0.94。将SISC与锂金属负极和多种正极(包括LiFePO₄、LiCoO₂和硫化聚丙烯腈(SPAN))原位聚合,组装得到的全固态电池具有良好的电化学稳定性。其中,Li||LiFePO₄全固态电池表现出高达8C的倍率性能和良好的循环寿命(在0.5C倍率下稳定循环 > 700圈)。这项工作提供了一种新颖的聚合物基快离子导体设计理念,对于发展高性能全固态电池具有重要意义。     

锂电池磷酸铁锂正极材料的结构与性能相关性的研究进展

磷酸铁锂(LiFePO_4)具有环境友好、价格便宜、安全性能好等优点,作为正极材料已经广泛应用于国内的电动车动力电池中;为了进一步提高电池的性能,需要对影响磷酸铁锂及同类材料(LiMPO_4 (LMP);M=Fe、Mn、Co、Ni及这些元素的混合)电化学性能的因素进行深入研究。本文从材料颗粒体相特征(相结构、掺杂、纳米化、缺陷和锂离子传输机制)、界面结构及在不同的电解质环境下的界面重构和电极结构与锂电池性能的构效关系等方面进行总结,系统化的阐述并总结了影响磷酸铁锂正极材料最新研究进展。     

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。     

锂金属电池中的复合负极

锂金属具有理论比容量高、电位低等优点,被认为是电极中的“圣杯”。然而,锂金属负极在循环过程当中存在着不可控的枝晶生长、体积膨胀等问题,严重地阻碍了锂金属电池的商业化进程。本综述首先概述了锂枝晶的形成机理,然后对由小及大,自内而外,总结了近年来三种不同层次的锂金属电池复合负极:锂金属负极内部结构的复合、锂金属电池内部结构的复合以及锂金属电池内部环境与外界操作条件的复合。最后,本综述对未来多层次锂金属电池复合负极的前景做出了展望。     

电解液调控策略提升水系锌离子电池正极材料电化学性能

水系锌离子电池(ZIBs)因安全性高、成本低、环境友好,以及负极锌高的理论容量(820 mAh·g^-1)和低的氧化还原电位(-0.76 V vs.SHE)等优点而受到研究者们的广泛关注,有望应用于大规模储能领域,但循环寿命仍是限制其规模化应用的瓶颈之一。通过电解液优化调控策略,可有效抑制正极材料的溶解、结构坍塌和界面副反应等问题,从而提高水系ZIBs的电化学性能。本文综述了电解液调控策略提升水系ZIBs正极材料电化学性能的研究进展,讨论了该策略所解决的具体问题和局限性,并对电解液体系的发展方向进行了展望。     

锂负极失效的全固态薄膜锂电池的直接回收再利用

作为微电子器件的理想电源，全固态薄膜锂电池(TFB)已经被广泛地研究了几十年，并开始进入商业化应用。然而，目前关于失效TFB的回收与再利用的研究几乎没有，这将会阻碍TFB的可持续发展。本工作针对因金属锂负极失效而造成电池失效的TFB，提出了一种简单的基于最常见LiCoO₂ (LCO)/LiPON/Li TFB (F-TFB)的直接回收再利用的方法。研究发现，F-TFB中的金属锂负极薄膜在循环过程会被部分氧化从而造成电池失效。我们提出利用无水乙醇溶液有效地溶解并去除F-TFB上失效的金属锂负极部分，从而快速地回收底层的LCO/LiPON薄膜。结构分析和表面分析结果表明，回收的LCO/LiPON薄膜中的LCO正极的晶体结构、LCO/LiPON的界面结构以及LiPON电解质的表面保持完好，使其再利用成为了可能。进一步地，我们在回收的LCO/LiPON薄膜上依次沉积了LiPON和Li薄膜，构建得到了电化学性能恢复的LCO/LiPON/Li TFB，并获得了与新制备的TFB相一致的比容量(0.223 mAh∙cm⁻²)、良好的倍率性能和循环寿命(500次循环后容量保持率为77.3%)。这种简单而有效的回收再利用方法有望延长固态电池的使用寿命，减少能源和资源消耗，促进固态电池的可持续发展。     

Dense Sphene-type Solid Electrolyte Through Rapid Sintering for Solid-state Lithium Metal Battery

The sphene-type solid electrolyte with high ionic conductivity has been designed for solid-state lithium metal battery. However, the practical applications of solid electrolytes are still suffered by the low relative density and long sintering time of tens of hours with large energy consumption. Here, we introduced the spark plasma sintering technology for fabricating the sphene-type Li_1.125Ta_0.875Zr_0.125SiO₅ solid electrolyte. The dense electrolyte pellet with high relative density of ca. 97.4% and ionic conductivity of ca. 1.44×10^-5 S/cm at 30℃ can be obtained by spark plasma sintering process within the extremely short time of only ca. 0.1 h. Also the solid electrolyte provides stable electrochemical window of ca. 6.0 V(vs. Li⁺/Li) and high electrochemical interface stability toward Li metal anode. With the enhanced interfacial contacts between electrodes and electrolyte pellet by the in-situ formed polymer electrolyte, the solid-state lithium metal battery with LiFePO₄ cathode can deliver the initial discharge capacity of ca. 154 mA·h/g at 0.1 C and the reversible capacity of ca. 132 mA·h/g after 70 cycles with high Coulombic efficiency of 99.5% at 55℃. Therefore, this study demonstrates a rapid and energy efficient sintering strategy for fabricating the solid electrolyte with dense structure and high ionic conductivity that can be practically applied in solid-state lithium metal batteries with high energy densities and safeties.