中國粉體網訊  固態(tài)電解質直接影響固態(tài)電池的性能，硫化物固態(tài)電解質作為一種室溫離子電導率(10^-4-10^-2S/cm)極高的電解質材料，廣受關注。目前電導率較高的硫化物電解質包括晶態(tài)硫化物電解質和玻璃陶瓷硫化物電解質。與晶態(tài)硫化物電解質相比，玻璃陶瓷具有更高的電化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

自20世紀90年代開始，玻璃陶瓷被用于全固態(tài)電池材料的開發(fā)和研究，它是一種由殘留玻璃相和結晶相的混合物組成的多晶材料，這種混合物通過對基礎玻璃進行結晶處理而獲得。電解質中的晶粒被玻璃相包圍以減小晶界的電阻，同時從玻璃相中析出獲得高離子電導率的晶體，使其電導率得到進一步提高。從理論上講，玻璃陶瓷電解質可以同時具有陶瓷電解質和玻璃電解質兩者的優(yōu)點。硫化物玻璃陶瓷電解質中比較典型的組分有Li₂S-P₂S₅，該體系的玻璃態(tài)電解質室溫離子電導率約為10^-4S/cm。

Li₂S-P₂S₅電解質的研究早在1980年代就已經開展。1981年GuyRobert以Li₂S-P₂S₅摩爾比為2:1的固體粉末中加入LiI，制備出了具有良好離子導電性的化合物。2009年，美國的科羅拉多州大學JamesTrevey課題組，用單步驟球磨法制得xLi₂S(100-x)P₂S₅，不同配比下化合物在55℃時，制得的玻璃陶瓷在常溫下的鋰離子電導率達到了10^-3S/cm，并有5VvsLi⁺/Li電化學窗口。2011年，Minami等用70Li₂S-30P₂S₅的配比下，通過球磨得到非晶態(tài)后加熱得到Li₇P₃S₁₁玻璃陶瓷固體化合物它的電導率達到了5.2×10^-3S/cm。

2013年之后不少研究人員開始將Li₂S-P₂S₅玻璃陶瓷固體電解質應用于鋰硫電池的研究。RomeSapienza大學的Agostini研究組以80Li₂S-20P₂S₅配比，通過球磨并加熱結晶的方法制得固體電解質，用硫、碳、電解質粉末混合制備成正極，并組裝成電池。電化學測試在工作電壓為2.1V條件下，其電池的容量可保持在400mAh/g，遠高于鋰離子電池。同年，大阪府立大學的Takamasa課題組，用機械球磨法制備得到70Li₂S-30P₂S₅玻璃陶瓷固體電解質與75Li₂S-25P₂S₅玻璃電解質。在常溫下，前者的鋰離子電導率到達1.5×10^-3S/cm，75Li₂S-25P₂S₅玻璃電解質在常溫下的鋰離子電導率達到5.0×10^-4S/cm。2014年，TakashiHakari以Li₂S-P₂S₅玻璃陶瓷作為電解質，用固體電解質、乙炔黑與單質硫的混合物做為正極組裝成全固態(tài)的二次鋰硫電池，不同摩爾比xLi₂S·(100-x)P₂S₅(x=80,87.5,90,95和100mol%)組裝成的電池，x=80的電池具有240mAh/g最高的充電容量。同年，甲南大學的Kinoshita用球磨Li₂S-P₂S₅制得非晶態(tài)的Li₃PS₄電解質，并用氣相生長法制得的碳纖維和電解質混合作為正極材料組裝成固態(tài)電池，得到的電池在室溫下的起始容量達到1300mAh/g，在0.1mA/cm²、0.9-2.6V的測試條件下，充放電50圈后電池的容量仍維持在1200mAh/g。

總之，硫系玻璃陶瓷固態(tài)電解質的離子電導率優(yōu)異，并且機械性能適中，利于與正負極材料形成共型接觸。但是該類電解質也存在缺陷，其本身穩(wěn)定性較差，不僅在空氣中會釋放劇毒的硫化氫氣體，而且與正、負極材料接觸時易發(fā)生界面副反應。

針對固態(tài)電池相關的技術、材料、市場及產業(yè)等方面的問題，中國粉體網將于2023年2月21-22日在常州舉辦第四屆高比能固態(tài)電池關鍵材料技術大會。為致力于固態(tài)電池技術開發(fā)的企業(yè)，科研院校，以及電動車、儲能、特種應用等終端企業(yè)提供信息交流的平臺，開展產、學、研合作，共同推動行業(yè)發(fā)展。屆時，寧波大學高等技術研究院助理研究員高成偉老師將作題為《硫系玻璃陶瓷固態(tài)電解質性能調控及界面表征技術》的報告。報告將針對硫系玻璃陶瓷固態(tài)電解質存在的問題，介紹對其化學、電化學及界面穩(wěn)定性進行調控的相關研究成果。另外，針對電解質與正、負極界面難以直接探測的問題，報告將介紹采用現(xiàn)場原位電化學阻抗法結合非原位測試表征技術（圖1），細致研究界面處組分、結構的演變過程，為設計制備高性能硫系電解質提供重要基礎。

圖1硫系固態(tài)電解質的動態(tài)現(xiàn)場原位電化學阻抗譜及非原位拉曼光譜

專家簡介：

高成偉，寧波大學高等技術研究院助理研究員，2011-2017年鄭州大學本碩連讀，2021年博士畢業(yè)于丹麥奧爾堡大學，師從歐州科學院院士岳遠征教授。主要的研究領域為硫系玻璃、金屬有機骨架玻璃等特種玻璃材料的設計制備及其在電化學儲能方面的應用。目前主持國家自然科學基金青年基金和浙江省自然科學基金各一項，在國際學術期刊上發(fā)表20余篇學術論文，包括Advanced Materials、Nano Energy、ACS Applied Materials&Interfaces等，授權發(fā)明專利4件。

參考來源：

李楊等.Li₃PS₄玻璃陶瓷電解質的制備及其電化學性能

符煌.硫系玻璃和玻璃陶瓷固體電解質制備及性能研究

章葉挺.硫鹵玻璃固體電解質材料制備及性能研究

（中國粉體網編輯整理/文正）

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