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固態(tài)電池仍存技術(shù)障礙,正極材料如何應(yīng)對?

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固態(tài)電池技術(shù)有望解決現(xiàn)有液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池應(yīng)用中存在的安全和壽命等問題,并有望進一步提高電池體系的能量密度。但是,固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用還存在諸多的技術(shù)障礙。一方面,固態(tài)電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率仍需要繼續(xù)提升;另一方面,固態(tài)電解質(zhì)與電極及其活性材料的界面問題導(dǎo)致鋰離子的擴散動力學(xué)條件比液態(tài)電解質(zhì)電池體系相差許多。


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以上問題對電池正極材料提出了新的要求,以適應(yīng)固態(tài)電池的發(fā)展。

一、具有高比容量和高能量密度

固態(tài)電池能量密度的提升是眾望所歸,但固態(tài)電解質(zhì)的密度都高于液態(tài)電解質(zhì),將同體積的液態(tài)電解質(zhì)置換為固態(tài)電解質(zhì),電池的能量密度均顯著降低。而且,為構(gòu)筑正極中連續(xù)的鋰離子傳輸通道,往往會增加固態(tài)電解質(zhì)的比例。此外,固態(tài)電解質(zhì)材料多以粉體顆?;虮∧さ男问酱嬖谟谡龢O中,具備不可壓縮性,在正極中占據(jù)更多的體積,固態(tài)電池電芯的質(zhì)量及體積能量密度會進一步降低。因此,具有高比容量和高能量密度的正極材料成為發(fā)展固態(tài)電池的必然之選。

二、提高結(jié)構(gòu)和表面穩(wěn)定性

體相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提高能夠避免因晶格畸變造成的顆粒開裂、與固態(tài)電解質(zhì)的物理接觸被破壞。表面穩(wěn)定性的提高能夠避免正極材料與固態(tài)電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng),降低由于界面電阻升高使極片內(nèi)部電子和離子的傳輸通道受阻情況的發(fā)生。對正極材料進行體相摻雜、表面包覆以及梯度材料的設(shè)計能夠提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及與電解質(zhì)接觸界面的穩(wěn)定性。目前報道比較集中的技術(shù)包括在正極顆粒表面覆蓋超薄固態(tài)電解質(zhì)層或原位生成固態(tài)電解質(zhì)層。但是,正極材料與固態(tài)電解質(zhì)的界面問題復(fù)雜多樣,要針對不同正極材料的特點篩選固態(tài)電解質(zhì)體系以及構(gòu)建穩(wěn)定界面的方法。

三、提高正極材料電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo),并構(gòu)筑連續(xù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)

正極材料自身電子電導(dǎo)和鋰離子電導(dǎo)率的提升可以有效提升電池性能,同時,在正極體系中構(gòu)筑長程的、連續(xù)的、穩(wěn)定的電子和離子傳輸網(wǎng)絡(luò)直接決定了固態(tài)電池的性能和壽命。在正極顆粒表面包覆或原位形成快離子導(dǎo)體層,抑制顆粒形變的同時能夠有利于顆粒表面的Li+的傳輸。引入高離子導(dǎo)電的粘結(jié)劑,發(fā)揮一物多效的作用,構(gòu)筑電子和離子傳輸通道的同時降低固體電解質(zhì)的質(zhì)量占比。

四、有優(yōu)異的高溫循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性

盡管固態(tài)電池不存在由于液態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用所引發(fā)的安全隱患,但出于提升體系離子電導(dǎo)率的目的而提高固態(tài)電池的工作溫度,就給正極材料在高溫下的性能穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性提出了更高的要求。同時,選擇匹配的耐高溫粘結(jié)劑也是保障正極材料高溫下穩(wěn)定性的重要措施。