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【原創(chuàng)】關(guān)于硫化物固態(tài)電解質(zhì)的那些事兒


來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   墨玉

[導(dǎo)讀]  鋰離子電池固態(tài)化在大幅提高安全性的同時(shí)可兼具高能量和高功率密度,在電動(dòng)車(chē)、國(guó)防等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。研究重點(diǎn)之一是固態(tài)電解質(zhì),其中硫化物固態(tài)電解質(zhì)由于具有最高的離子電導(dǎo)率、較好的機(jī)械延展性以及與電極良好的界面接觸等優(yōu)點(diǎn),成為最具潛力的技術(shù)方向。

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  鋰離子電池固態(tài)化在大幅提高安全性的同時(shí)可兼具高能量和高功率密度,在電動(dòng)車(chē)、國(guó)防等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。研究重點(diǎn)之一是固態(tài)電解質(zhì),其中硫化物固態(tài)電解質(zhì)由于具有最高的離子電導(dǎo)率、較好的機(jī)械延展性以及與電極良好的界面接觸等優(yōu)點(diǎn),成為最具潛力的技術(shù)方向。


硫化物固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)


硫化物合成溫度低,機(jī)械延展性優(yōu)良,界面接觸良好,且離子電導(dǎo)率最高,已超過(guò)商用電解液的水平(如Li3.25Ge0.25P0.75S4,Li10GeP2S12(LGPS)和Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3(LSiPSCl)的室溫鋰離子電導(dǎo)率分別達(dá)到了2.2、12.0和25.0m·S/cm)。所以成為近年來(lái)固態(tài)電解質(zhì)的研究熱點(diǎn)。


硫化物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率



硫化物固態(tài)電解質(zhì)的缺點(diǎn)


硫化物固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性差、空氣穩(wěn)定性差。電化學(xué)穩(wěn)定性差直接限制了其在高能量密度(高工作電壓正極、鋰金屬負(fù)極)動(dòng)力電池中的應(yīng)用?諝夥(wěn)定性差使得其易與空氣中的H2O反應(yīng)生成H2S,而降低電解質(zhì)的使用壽命。


硫化物固態(tài)電解質(zhì)制備方法


硫化物的制備方法主要有三種:


①熔融法

將起始原料按一定的化學(xué)計(jì)量比混合均勻得到初料,初料經(jīng)過(guò)高溫處理使材料熔融,熔融材料驟冷后得到玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì),通過(guò)結(jié)晶玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)可以進(jìn)一步得到玻璃陶瓷態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)。


②高能球磨法

以高能球磨處理混合后的起始原料,球磨一定時(shí)間后得到玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì),析晶后可以得到玻璃陶瓷態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)。


③液相法

將一定化學(xué)計(jì)量比的起始原料加入到有機(jī)溶劑中,將混合物在一定溫度下攪拌,通過(guò)離心或旋蒸法從中分離出反應(yīng)后的溶質(zhì),在一定溫度下干燥,得到玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料,進(jìn)一步結(jié)晶得到玻璃陶瓷態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)。


硫化物固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性改善研究


為解決硫化物固態(tài)電解質(zhì)易與水反應(yīng)生成H2S的問(wèn)題,用氧化物L(fēng)i2O、P2O5、ZnO、Fe2O3、Bi2O3和鹵化物L(fēng)iI對(duì)LPS體系進(jìn)行取代或摻雜,可提高材料的空氣穩(wěn)定性,降低H2S的產(chǎn)生。


Ohtomo等比較了不同制備方法和Li2O的取代Li2S的量對(duì)xLi2O(100-x)(0.7Li2S0.3P2S5)(mol%)(x=17,20and25)材料H2S產(chǎn)生情況和電導(dǎo)率進(jìn)行了探究。結(jié)果表明Li2O的取代有助于降低H2S的產(chǎn)生,兩步法抑制H2S的效果更好。


Hayashi等探究了P2O5取代P2S5及在體系中增加ZnO對(duì)H2S產(chǎn)生量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明部分的P2O5取代P2S5有助于抑制H2S產(chǎn)生。在Li2S-P2S5-P2O5體系上再增加ZnO,抑制H2S生效果更好。


金屬氧化物ZnO、Fe2O3Bi2O3具有負(fù)的吉布斯自由能,能與H2S發(fā)生反應(yīng)。將金屬氧化物添加到75Li2S25P2S5體系中,可提高材料在干燥O2、N2環(huán)境下的穩(wěn)定性,抑制H2S的產(chǎn)生。


由中國(guó)粉體網(wǎng)舉辦的“2019高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)研討會(huì)暨第三屆能源顆粒材料制備及應(yīng)用技術(shù)高峰論壇”,屆時(shí)我們將邀請(qǐng)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院物理研究所吳凡研究員作《應(yīng)用于全固態(tài)電池的硫化物固態(tài)電解質(zhì)材料》報(bào)告,帶來(lái)更多關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)的精彩內(nèi)容,期待您的到來(lái)。


專家簡(jiǎn)介


吳凡

中國(guó)科學(xué)院物理研究所“百人計(jì)劃I類”特聘研究員,博士生導(dǎo)師。


2011年獲浙江大學(xué)材料學(xué)學(xué)士學(xué)位,2014年獲美國(guó)北卡州立大學(xué)材料學(xué)博士學(xué)位,2014-2016年在普林斯頓大學(xué)開(kāi)展博士后研究,2016-2018年在哈佛大學(xué)從事博士后及Research Scientist工作。主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)能源材料(包括儲(chǔ)能和能源轉(zhuǎn)換兩方面)。應(yīng)用方向包括鋰離子電池、全固態(tài)鋰金屬電池、壓電傳感器等。于2019年1月正式入職中國(guó)科學(xué)院物理研究所清潔能源實(shí)驗(yàn)室(北京)。在中科院物理所長(zhǎng)三角研究中心(江蘇溧陽(yáng))、天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院(江蘇溧陽(yáng))成立科學(xué)家工作室。目前主要研究方向?yàn)槿虘B(tài)電池及固態(tài)電解質(zhì)的基礎(chǔ)科學(xué)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究。擔(dān)任Bentham科學(xué)出版社《Nanoscience & Nanotechnology-Asia》雜志高級(jí)策劃編輯,以及PiscoMed科學(xué)出版社《Composite Materials Research》雜志和Elsevier出版社《Data in Brief》雜志的編委會(huì)委員。主持并負(fù)責(zé)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng),中科院百人計(jì)劃研究項(xiàng)目1項(xiàng),天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院科學(xué)家工作室研究項(xiàng)目1項(xiàng),橫向合作項(xiàng)目1項(xiàng)。參與國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目-汽車(chē)聯(lián)合基金1項(xiàng)。


參考來(lái)源:

劉麗露.硫化物固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)穩(wěn)定性研究進(jìn)展

劉魯靜.全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)進(jìn)展及現(xiàn)狀

葉明.硫化物固態(tài)電解質(zhì)的研究進(jìn)展

李利.硫化物固態(tài)電解質(zhì)的研究進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用


(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉)

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作者:墨玉

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