鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：335次 | 2023年05月31日
固態(tài)鋰電池未來之路如何
傳統(tǒng)的商業(yè)鋰電子采用液態(tài)有機(jī)電解液，在過充、短路或?yàn)E用等情況下，易發(fā)熱進(jìn)而導(dǎo)致電池脹氣、自燃甚至爆炸，存在安全隱患。在能源密度不斷提升的情況下，以上問題更為突出。與之相比，以氧化物固體電解質(zhì)為核心的固態(tài)鋰電池，不僅無毒對(duì)環(huán)境友好、不含易燃易揮發(fā)的有機(jī)液體組分，而且在提高能量密度的同時(shí)可保障電池的安全，已成為新一代高能量密度電池體系研究關(guān)注的焦點(diǎn)。
其中，石榴石型氧化物鋰鑭鋯氧（Li7La3Zr2O12，LLZO）由于其具有電化學(xué)窗口較寬、室溫離子電導(dǎo)率較高，且對(duì)金屬鋰化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)更加受到關(guān)注。但它在界面等方面也存在明顯不足。為此，青島大學(xué)郭向欣研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京科技大學(xué)范麗珍教授和清華大學(xué)南策文院士，針對(duì)LLZO自身的特點(diǎn)，提出了怎樣實(shí)現(xiàn)實(shí)用化LLZO固態(tài)電池的新觀點(diǎn)和策略。該綜述文章于4月19日發(fā)表在CellPress細(xì)胞出版社旗下能源旗艦期刊Joule（《焦耳》）上。
針對(duì)LLZO的應(yīng)用前景、還需解決的瓶頸問題，以及不同LLZO固態(tài)鋰電池在應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題等，CellPress特別專訪了本文通訊作者之一清華大學(xué)南策文院士。
關(guān)于南策文院士
中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士，清華大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院院長，兼任中國硅酸鹽學(xué)會(huì)副理事長等，曾任國際陶瓷聯(lián)盟（ICF）理事長、亞洲電子陶瓷協(xié)會(huì)主席。主要從事固態(tài)電池、多鐵材料、柔性功能復(fù)合材料的研究。迄今發(fā)表學(xué)術(shù)論文700余篇，被SCI他人引用20000多次；出版學(xué)術(shù)專著1部；獲授權(quán)國家發(fā)明專利40項(xiàng)。曾獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)獎(jiǎng)3項(xiàng)、國外獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)等。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
作者專訪
CellPress：請(qǐng)您介紹一下固態(tài)電解質(zhì)對(duì)比傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢所在，以及四種典型固態(tài)電解質(zhì)的特點(diǎn)。
南策文院士：一般而言，與液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)電解質(zhì)具有不揮發(fā)、不燃燒、不流動(dòng)及耐壓力等方面的優(yōu)勢。因此，采用固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池在安全性方面具有明顯的優(yōu)勢。而且更為重要的是，通過電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)固態(tài)電池在保證安全性的情況下在能量密度的提高方面具有極大的潛力。
石榴石型氧化物（LLZO）、NASICON型氧化物、硫化物和聚合物固體電解質(zhì)是目前受關(guān)注較多的四種典型固體電解質(zhì)材料。它們各自具有自己的特點(diǎn)。例如聚合物電解質(zhì)具有柔性易加工的優(yōu)點(diǎn)，但是離子電導(dǎo)率較低；硫化物具有可與液體電解液相比擬的離子電導(dǎo)率，但是對(duì)空氣極為敏感；NASICON氧化物雖然離子電導(dǎo)率不高，對(duì)金屬鋰也不穩(wěn)定，但是可以耐受水的侵蝕；石榴石型氧化物（LLZO）在空氣中相對(duì)穩(wěn)定，離子電導(dǎo)率介于硫化物和聚合物之間，對(duì)金屬鋰化學(xué)穩(wěn)定，但是具有剛性導(dǎo)致的界面不易處理。
CellPress：在四種典型的固態(tài)電解質(zhì)中，您是否認(rèn)為LLZO最具應(yīng)用前景？具體原因是？
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
南策文院士：在以上四種典型的固體電解質(zhì)材料之中，LLZO的綜合性能最為優(yōu)異，可以說最具應(yīng)用前景。具體原因包括：LLZO具有的離子電導(dǎo)率以及可達(dá)到的面電阻可以滿足應(yīng)用的需求；LLZO粉體材料可以在大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；LLZO在化學(xué)上對(duì)鋰金屬穩(wěn)定，為鋰金屬負(fù)極的使用提供了可能，LLZO的電化學(xué)窗口寬，可以和高電壓正極相匹配，這些都為高能量密度固態(tài)電池的實(shí)現(xiàn)提供了材料基礎(chǔ)；而且近幾年來，越來越多的研究人員關(guān)注LLZO的研發(fā)，澄清了很多制約LLZO應(yīng)用的瓶頸問題的關(guān)鍵機(jī)理，并給出了切實(shí)可行的解決方案。
CellPress：您在綜述中也提到LLZO如果投入實(shí)際應(yīng)用還存在許多瓶頸問題亟待突破。您能否具體介紹一下有哪些問題？
南策文院士：在投入實(shí)際應(yīng)用之前，還需解決的瓶頸問題主要集中在以下方面：a)LLZO與鋰金屬之間的界面問題。研究表明，鋰金屬與LLZO界面之間存在不浸潤導(dǎo)致的接觸電阻大，以及鋰金屬不均勻沉積導(dǎo)致的鋰枝晶穿透的嚴(yán)重問題。這要求在兩者之間生長一層均勻的高離子導(dǎo)通并具有極低電子導(dǎo)通的中間層；b)LLZO電解質(zhì)層內(nèi)阻的不斷減小。電池的內(nèi)阻足夠小才能保證電池實(shí)際能量密度和倍率性能的不斷提高，這就要求不斷提高固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率或不斷減小電解質(zhì)層的厚度；c)LLZO與高電壓正極之間的界面問題。怎樣保證固態(tài)電解質(zhì)和正極材料之間界面的良好電接觸，以及循環(huán)過程中界面電接觸的穩(wěn)定是亟需解決的問題。
CellPress：您認(rèn)為應(yīng)用型LLZO陶瓷基固態(tài)鋰電池及LLZO柔性復(fù)合膜固態(tài)鋰電池在應(yīng)用時(shí)應(yīng)分別注意哪些問題？
南策文院士：對(duì)于應(yīng)用型的LLZO陶瓷基固態(tài)鋰電池，需要關(guān)注以下問題：a)LLZO陶瓷片的室溫面電阻需要小于50ohmcm2，即室溫離子電導(dǎo)率10-3Scm-1陶瓷片的厚度需要小于500um；b)Li/LLZO之間的界面需要高離子導(dǎo)通相融性中間層；c)復(fù)合正極內(nèi)部界面中間層應(yīng)同時(shí)具有高離子和電子導(dǎo)體性，同時(shí)通過有限度的反應(yīng)發(fā)揮固體電解質(zhì)和正極材料界面融合劑和應(yīng)力釋放作用；d)復(fù)合正極/LLZO陶瓷片之間需要高離子電子共導(dǎo)通的相融性中間層，同時(shí)發(fā)揮相融和釋放應(yīng)力的作用。
對(duì)于應(yīng)用型的LLZO柔性復(fù)合膜固態(tài)鋰電池，需要關(guān)注的問題包括：a)LLZO柔性復(fù)合膜室溫面電阻需要小于50ohmcm2，對(duì)于室溫離子電導(dǎo)率10-4Scm-1的柔性膜厚度需要小于50um；b)LLZO柔性復(fù)合膜與金屬鋰接觸的部分為高導(dǎo)通離子導(dǎo)電層，與正極接觸的部分應(yīng)兼具離子和電子高導(dǎo)通特性；c)LLZO柔性復(fù)合膜與正極接觸的部分在工作條件下，耐氧化能力應(yīng)大于5V。
CellPress：您認(rèn)為還需要多久LLZO固態(tài)鋰電池才能投入實(shí)際應(yīng)用？
南策文院士：一般說來，LLZO固態(tài)鋰電池可以在未來的5-10年投入實(shí)際應(yīng)用。在特殊的應(yīng)用場合，例如醫(yī)用或特種高溫電池，可能LLZO固態(tài)鋰電池會(huì)更早地進(jìn)入應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的進(jìn)步，以及研究人員對(duì)固態(tài)電池認(rèn)識(shí)的不斷加深，都會(huì)縮短LLZO固態(tài)鋰電池投入實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間。
CellPress：您的團(tuán)隊(duì)目前圍繞LLZO固態(tài)鋰電池還在進(jìn)行哪些研究？預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)是？
南策文院士：我們的團(tuán)隊(duì)圍繞LLZO固態(tài)鋰電池一方面開展固態(tài)電解質(zhì)層電導(dǎo)率、電解質(zhì)與電極材料界面基礎(chǔ)科學(xué)的深入研究，另一方面開展大容量LLZO陶瓷基固態(tài)鋰電池和LLZO復(fù)合柔性電解質(zhì)膜固態(tài)鋰電池模塊的制備技術(shù)研究。預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)是在揭示關(guān)鍵科學(xué)機(jī)理的同時(shí)，提高LLZO固態(tài)鋰電池的制備技術(shù)和性能表現(xiàn)，使其盡快達(dá)到可應(yīng)用的水平。
