全固态锂离子电池的研究进展

自1991年投入市场以来，锂离子电池因其能量密度高、寿命长而备受关注。已成为21世纪能源经济不可分割的一部分。然而，锂离子电池在汽车、储能等大型电池领域的应用还存在一些亟待解决的安全问题。锂离子电池的有机电解质是挥发性、易燃易爆的。[1]全固态锂离子电池从根本上解决了这一问题，并且具有容量大、质量轻等优点，可以完成全固态锂离子电池产业化的研究迫在眉睫。

1.概述所有固体锂离子电池

全固态锂离子电池是相关于液态锂离子电池而言的，是指结构中不含液态，所有数据都以固态形式存储的能量装置。具体来说，它是由正极数据+负极数据和电解质组成，而液体锂离子电池是由正极数据+负极数据+电解质和隔膜组成。

全固态锂离子电池的研究进展

锂离子固体电解质数据作为全固态锂离子电池的核心部件，是实现其高功能的核心数据，也是影响其实际应用的瓶颈之一。固态电解质发展历史已超过一百年,固态电解质材料的讨论有数百个,只要固态电解质在室温下或高温导电率大于三s/厘米可以应用在电化学电源系统中,绝大多数的电导率数据值几个数量级低于价值,这使得很少固态电解质材料具有实际应用价值。[2]

2.固体电解质的研究进展

电解质作为电池的重要组成部分，其功能在很大程度上决定了电池的功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能和使用寿命。电解质的评价指标一般包括:

(1)离子电导率:离子电导率会影响组装电池的体积电阻。关于固体电解质，离子电导率一般要求达到10-4s/cm以上。

(2)去除数:指锂离子在通过电解液的电流中所占的份额。在理想状态下，去除数为1。假如去除率过低，负离子会在电极表面积聚，导致电池的极化和电阻增大。

(3)电化学窗口:在电池工作电压范围内，电解液需求具有较高的电化学稳定性，否则在工作过程中会发生分解，一般要求电化学窗口高于4.3v。[3]

目前研究的固体电解质重要有氧化物固体电解质、硫化物固体电解质、聚合物固体电解质和复合固体电解质。以下是对这些固体电解质及其研究进展的详细介绍。

全固态锂离子电池的研究进展

2.1氧化物固体电解质

氧化物固体电解质按材料结构分为结晶电解质和玻态(非晶)电解质。晶体电解质包括石榴石固体电解质、钙钛矿li3xla2/3-xTiO3固体电解质、NASICONLi1+xalxti2-x(PO4)3和Li1+xalxge2-x(PO4)3固体电解质等。玻璃态电解质由抗钙钛矿li3-2xmxhalo固体电解质和脂质薄膜固体电解质组成。

2.1.1石榴石固体电解质[4]

传统的石榴石电解液为Li7La3Zr2O12(LLZO)。立方相石榴石电解质在室温下(10-3s/cm)具有较高的离子电导率，在与金属锂接触时比其他类型的电解质更稳定。它是一种很有前途的电解质。

目前，石榴石电解质面对两大问题:

1.锂含量高，使得电解液表面容易与空气中的水和二氧化碳出现氢氧化锂和碳酸锂，导致界面阻抗大，电池功能差。

2.石榴石电解液对金属锂的润湿能力较差，锂离子在循环过程中积累不均匀，容易出现枝晶，存在严重的安全隐患。