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鋰鑭鋯氧(LLZO)固態(tài)電解質(zhì)是什么?有望量產(chǎn)嗎?


來源:中國粉體網(wǎng)   蘇簡

[導(dǎo)讀]  石榴石型固態(tài)電解質(zhì)為鋰鑭鋯氧(LLZO)固態(tài)電解質(zhì),其在全固態(tài)電池中的應(yīng)用潛能非常大。

中國粉體網(wǎng)訊  目前研究最多的石榴石型固態(tài)電解質(zhì)為鋰鑭鋯氧Li7La3Zr2O12(LLZO)固態(tài)電解質(zhì),其主要原材料為LiCO3、La(OH)3、ZrO2和 Al2O3,2007年Murugan等首次采用固相合成法,在1230℃下燒結(jié)制備出了純立方相石榴石型結(jié)構(gòu)[a =12.9682(6)Å;空間群Ia-3d]的LLZO,隨后Kaeriyama等于1180 燒結(jié)同樣合成出純立方相LLZO。


左圖:四方相LLZO晶體結(jié)構(gòu)示意圖     右圖:立方相LLZO晶體結(jié)構(gòu)示意圖


LLZO存在立方相(c-LLZO)和四方相(t-LLZO)兩種晶體結(jié)構(gòu),兩種結(jié)構(gòu)最顯著的差別就是Li的占位,在立方相中Li部分占據(jù)間隙位,而在四方相中Li占滿間隙位。其中c-LLZO比t-LLZO電導(dǎo)率高,其晶體骨架網(wǎng)絡(luò)由La3+、Zr2+和O2-離子構(gòu)成,Li離子分布在晶體網(wǎng)格之內(nèi),這種相鄰位置之間Li離子的最短距離是導(dǎo)致快速離子傳輸?shù)闹饕,并進(jìn)而提供了高的離子電導(dǎo)率。在25℃時(shí)LLZO的離子電導(dǎo)率為3×10-4S/cm,其晶界電阻占總電阻的比例<50%,因此,LLZO的總體離子電導(dǎo)率與晶內(nèi)離子電導(dǎo)率處于同一量級,保證了其作為固態(tài)電解質(zhì)的高的總體離子電導(dǎo)率。


LLZO固態(tài)電解質(zhì)在全固態(tài)電池中的應(yīng)用潛能非常大,LLZO不與金屬鋰反應(yīng),具備低的界面和晶粒阻抗,在空氣中性質(zhì)比較穩(wěn)定,并且LLZO熱處理燒結(jié)的致密化陶瓷的強(qiáng)度和硬度都比較高。


不過通常未摻雜的LLZO具有電化學(xué)性能穩(wěn)定、電化學(xué)窗口寬等優(yōu)點(diǎn),但相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,振實(shí)密度低,具有較大的晶界電阻和室溫離子電導(dǎo)率低,在全固態(tài)電池的應(yīng)用中會存在較大的界面電阻。而且LLZO在具有水分和CO2的空氣中暴露,由于H+/Li+交換的作用,會在表面生成Li2CO3,導(dǎo)致性能逐漸劣化。為了增強(qiáng)LLZO體系固態(tài)電解質(zhì)在大氣環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性,目前主要是通過摻雜不同金屬元素等對LLZO進(jìn)行改性,目的是穩(wěn)定立方相結(jié)構(gòu)、優(yōu)化制備路線、減小其界面電阻和晶界電阻、提高其室溫離子電導(dǎo)率。


未來產(chǎn)業(yè)化分析


LLZO作為最具市場化潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料之一,一直吸引著眾多研究人員的關(guān)注,通過深入了解LLZO晶體結(jié)構(gòu)以及通過元素?fù)诫s對富鋰石榴石結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,已經(jīng)將LLZO的鋰離子電導(dǎo)率提高一個(gè)數(shù)量級。盡管科研人員做了大量的構(gòu)筑LLZO基固態(tài)電池的嘗試,發(fā)展一系列有效的策略來解決正極/LLZO、負(fù)極/LLZO物理接觸的問題,但截止到目前,確實(shí)還沒有任何量產(chǎn)的產(chǎn)品能夠在各方面明顯勝過于傳統(tǒng)鋰離子電池,固態(tài)鋰電池更大能量密度空間成為一些企業(yè)追求固態(tài)電池的一個(gè)重要原因。


今年8月份韓國的電動(dòng)汽車(EV)電池制造商SK On宣布,已成功與檀國大學(xué)共同開發(fā)了具有超高鋰離子導(dǎo)電率的新型氧化物基固體電解質(zhì)-LLZO,將鋰離子電導(dǎo)率提高了70%,達(dá)到世界頂級水平(1.7 mS/cm),SK on公司表示若將該新款氧化物固態(tài)電解質(zhì)運(yùn)用于電池生產(chǎn)中,理論上可以將電池容量提高25%。這種固態(tài)電解質(zhì)兼具離子導(dǎo)電性和大氣穩(wěn)定性的雙重優(yōu)點(diǎn),作為制造高質(zhì)量全固態(tài)電池的創(chuàng)新技術(shù),將產(chǎn)生巨大的連鎖反應(yīng)。截至目前,SK on公司未再公布LLZO固體電解質(zhì)在電池生產(chǎn)中應(yīng)用的消息。

 

從綜合布局固態(tài)電池的企業(yè)數(shù)量以及電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)需求來看,固態(tài)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)仍然是風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇并存,并且存在潛在風(fēng)險(xiǎn)難以評估的問題。


參考來源:

1. Xia Lu et al. Recent progress on the Li7La3Zr2O12 (LLZO) solid electrolyte[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(2): 523-537.

2. 楊富杰等.高含量鋰鑭鋯氧基復(fù)合固體電解質(zhì)的制備及其性能研究

3. SK on成功研發(fā)新款固態(tài)電解質(zhì),提升車用電池性能. 蓋世汽車


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡)

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