DQZHAN技術(shù)訊：干貨！詳解6種主流的固態(tài)電解質(zhì)
全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機液態(tài)電解液，有望從根本主解決電池**性問題，是電動汽車和規(guī)?；瘍δ芾硐氲幕瘜W電源。
聚合物固態(tài)電解質(zhì)
聚合物固態(tài)電解質(zhì)(SPE)，由聚合物基體(如聚酯、聚酶和聚胺等)和鋰鹽(如LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等)構(gòu)成，因其質(zhì)量較輕、黏彈性好、機械加工性能優(yōu)良等特點而受到了廣泛的關(guān)注。
發(fā)展至今，常見的SPE包括聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚環(huán)氧丙烷(PPO)、聚偏氯乙烯(PVDC)以及單離子聚合物電解質(zhì)等其它體系。
目前，主流的SPE基體仍為*早被提出的PEO及其衍生物，主要得益于PEO對金屬鋰穩(wěn)定并且可以更好地解離鋰鹽。
然而，由于固態(tài)聚合物電解質(zhì)中離子傳輸主要發(fā)生在無定形區(qū)，而室溫條件下未經(jīng)改性的PEO的結(jié)晶度高，導致離子電導率較低，嚴重影響大電流充放電能力。
研究者通過降低結(jié)晶度的方法提高PEO鏈段的運動能力，從而提高體系的電導率，其中*為簡單有效的方法是對聚合物基體進行無機粒子雜化處理。
目前研究較多的無機填料包括MgO、Al2O3、SiO2等金屬氧化物納米顆粒以及沸石、蒙脫土等，這些無機粒子的加入擾亂了基體中聚合物鏈段的有序性，降低了其結(jié)晶度，聚合物、鋰鹽以及無機粒子之間產(chǎn)生的相互作用增加了鋰離子傳輸通道，提高電導率和離子遷移數(shù)。無機填料還可以起到吸附復(fù)合電解質(zhì)中的痕量雜質(zhì)(如水分)、提高力學性能的作用。
為了進一步提高性能，研究者開發(fā)出一些新型的填料，其中由不飽和配位點的過渡金屬離子和有機連接鏈(一般為剛性)進行自組裝，形成的金屬有機框架(MOF)因其多孔性和高穩(wěn)定性而受到關(guān)注。
氧化物固態(tài)電解質(zhì)
按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)可以將氧化物固態(tài)電解質(zhì)分為晶態(tài)和玻璃態(tài)(非晶態(tài))兩類，其中晶態(tài)電解質(zhì)包括鈣鈦礦型、NASICON型、LISICON型以及石榴石型等，玻璃態(tài)氧化物電解質(zhì)的研究熱點是用在薄膜電池中的LiPON型電解質(zhì)。
氧化物晶態(tài)固體電解質(zhì)
氧化物晶態(tài)固體電解質(zhì)化學穩(wěn)定性高，可以在大氣環(huán)境下穩(wěn)定存在，有利于全固態(tài)電池的規(guī)?；a(chǎn)，目前的研究熱點在于提高室溫離子電導率及其與電極的相容性兩方面。目前改善電導率的方法主要是元素替換和異價元素摻雜。另外，與電極的相容性也是制約其應(yīng)用的重要問題。
LiPON型電解質(zhì)
1992年，美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)在高純氮氣氣氛中采用射頻磁控濺射裝置濺射高純Li3P04靶制備得到鋰磷氧氮(LiPON)電解質(zhì)薄膜。
該材料具有優(yōu)良的綜合性能，室溫離子導電率為2.3x10-6S/cm，電化學窗口為5.5V(vs.Li/Li+)，熱穩(wěn)定性較好，并且與LiCoO2、LiMn2O4等正極以及金屬鋰、鋰合金等負極相容性良好。LiPON薄膜離子電導率的大小取決于薄膜材料中非晶態(tài)結(jié)構(gòu)和N的含量，N含量的增加可以提高離子電導率。
普遍認為，LiPON是全固態(tài)薄膜電池的標準電解質(zhì)材料，并且已經(jīng)得到了商業(yè)化應(yīng)用。
射頻磁控濺射的方法可以制備出大面積且表面均勻的薄膜，但同時存在著較難控制薄膜組成、沉積速率小的缺點，因此，研究者嘗試采用其它方法制備LiPON薄膜，如脈沖激光沉積、電子束蒸發(fā)以及離子束輔助真空熱蒸發(fā)等。
除了制備方法的改變，元素替換和部分取代的方法也被研究者用來制備出多種性能更加優(yōu)異的LiPON型非晶態(tài)電解質(zhì)。
硫化物晶態(tài)固體電解質(zhì)
*為典型的硫化物晶態(tài)固體電解質(zhì)是thio-LISICON，由東京工業(yè)大學的KANNO教授*先在Li2S-GeS2-P2S，體系中發(fā)現(xiàn)，化學組成為Li4-xGe1-xPxS4，室溫離子電導率*高達2.2x10-3S/cm(其中x=0.75)，且電子電導率可忽略。thio-LISICON的化學通式為Li4-xGe1-xPxS4(A=Ge、Si等,B=P、A1、Zn等)。
硫化物玻璃及玻璃陶瓷固體電解質(zhì)
玻璃態(tài)電解質(zhì)通常由P2S5、SiS2、B2S3等網(wǎng)絡(luò)形成體以及網(wǎng)絡(luò)改性體Li2S組成，體系主要包括Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3，組成變化范圍寬，室溫離子電導率高，同時具有熱穩(wěn)定高、**性能好、電化學穩(wěn)定窗口寬(達5V以上)的特點，在高功率以及高低溫固態(tài)電池方面優(yōu)勢突出，是**潛力的固態(tài)電池電解質(zhì)材料。
日本大阪府立大學TATSUMISAGO教授對Li2S-P2S5電解質(zhì)的研究處于世界前沿位置，他們*先發(fā)現(xiàn)對Li2S-P2S5玻璃進行高溫處理使其部分晶化形成玻璃陶瓷，在玻璃基體中沉積出的晶體相使得電解質(zhì)的電導率得到很大提升。
