纳米锂镧锆钽氧粉体复合聚氧化乙烯制备的固态电解质电化学性能的.pdfVIP

纳米锂镧锆钽氧粉体复合聚氧化乙烯制备的固态电解质电化学

性能的研究

赵宁;李忆秋;张静娴;狄增峰;郭向欣

【摘要】与采用液体电解液的传统二次锂离子电池相比,固态二次锂电池在高能量

密度和安全性方面具有显著的潜在优势,近年来成为国内外的研究热点.作为固态二

次锂电池的核心组成,固态电解质需要具备高离子电导率、宽电化学窗口、对锂稳

定、力学性能优以及可抑制锂枝晶等特性.为达到以上要求,本工作探索制备了由纳

米钽掺杂锂镧锆氧(LLZTO)粉体与聚氧化乙烯(PEO)复合的有机-无机复合固态电解

质膜材料,对比研究了在有机物PEO中添加锂盐和不添加锂盐对固态电解质膜电导

率及电化学特性的影响.发现在PEO-LLZTO复合电解质膜中,虽然PEO不导电,但

界面处存在的渗流效应可极大提高膜的总电导率,室温离子电导率可达到2×10-4

S/cm.这一数值虽然略低于PEO-LiTFSI-LLZTO复合电解质膜(室温条件下电导率

为6×10-4S/cm),但无锂盐添加的PEO-LLZTO复合电解质膜表现出较好的电化

学稳定性和较强的抑制锂枝晶的能力.将PEO-LLZTO复合电解质膜与Li/LiFePO4

和Li/LiFe0.15Mn0.85PO4组装成软包电池,在0.1C、60℃的测试条件下可充分发

挥正极材料的容量,并可稳定循环200次以上.

【期刊名称】《储能科学与技术》

【年(卷),期】2016(005)005

【总页数】8页(P754-761)

【关键词】固态电解质;聚氧化乙烯;LLZTO纳米粉;渗流效应

【作者】赵宁;李忆秋;张静娴;狄增峰;郭向欣

【作者单位】中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050;中国科学院上海硅酸盐

研究所,上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050;中国

科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050;中国科学院上海硅酸盐研究所,

上海200050

【正文语种】中文

【中图分类】TM911

固态二次锂电池是采用固态电解质、复合负极或金属锂负极、复合正极的一种可充

电电池，它的基本构型如图1所示。由于电池中没有流动性的液体电解液，可以

实施高密度堆叠和内串联，因而便于实现高的体积能量密度和高的电压输出。同时，

固态电解质的使用允许直接采用锂金属作为负极，在电池质量能量密度方面也可以

得到大幅提升。另外，采用固态电解质可大大减少电池中的可燃成分，使电池的安

全性能得到极大改善。因此，固态二次锂电池被寄予厚望，认为是可应用于电动汽

车等储能领域的下一代锂电池[1-4]。

固态二次锂电池的核心材料是固态电解质，作为高性能的固态电解质，应满足以下

几个方面的要求：①离子电导率高，液体电解液的室温离子电导率大约是10-

2S/cm，固体电解质往往要小于这一数值，一般认为室温下固态电解质的离子电

导率至少要达到10-4S/cm以上才可以考虑在电池中的应用；②化学稳定性好，

对金属锂稳定，在电池装配环境条件下能够保持表面化学稳定；③电化学稳定，具

有足够宽的电化学窗口，在电池充放电过程中不与正负极发生反应，尤其是与具有

较强氧化性的正极材料不发生反应；④力学性能好，适合大批量加工，这不仅要求

电解质能够阻止锂枝晶的穿透，而且要求电解质在电池组装和大批量处理过程中能

够承受一定的机械压力；⑤具有良好的界面接触，不同于液态电解质能够自动渗透

进入多孔电极，固态电解质与电极材料之间的界面必须主动设计，因此要求固态电

解质材料能够提供良好的界面接触。

目前，固态电解质主要包括无机固体电解质、聚合物固态电解质和有机-无机复合

电解质3种类型。研究较多的无机固体电解质中以硫化物的电导率最高，甚至可

以高于液体电解液[5-7]。但是硫化物对大气中的水分极为敏感，对环境的要求十

分严格。其次是氧化物固体电解质：包括钙钛矿型的锂镧钛氧，室温电导率可达

10-2S/cm[8]。但是这种电解质与金属锂接触后，极易被还原而表现出高的电子导

电性；NASICON或LISICON的磷酸盐电解质体系，室温电导率可达10-

4S/cm[9-10]，但这类材料也存在对锂金属不稳定的问题；还有近来颇受关注的石

榴石型的锂镧锆氧电解质[11-14]，它的室温电导率可达10-3S/cm，而且对金属

锂稳定并具有宽的电化