全固态电池中界面问题为何一直未能有效解决

时间:2022-03-13作者:佚名

目前限制全固态锂电池应用的主要问题是电池的能量及功率密度低,而决定电池能量及功率密度的主要因素包括电极材料、电解质材料和二者的界面的特性。

《中国制造2025》确定的技术目标是2020年锂电池能量密度到300Wh/kg,2025年能量密度达到400Wh/kg,2030年能量密度达到500Wh/kg。

目前市场上用的液态电解质体系的电池能量密度约250wh/kg,也有少部分的企业宣称达到了300Wh/kg的目标,但是这都是耗费了大量的精力在材料选型、电解液调整、结构设计上的,可能牺牲了部分的电池稳定性和寿命。如果想要达到更高的能量密度,在未来达到《中国制造2025》确定的技术目标,则需要在革命性的正负极材料、电池体系上进行革新。

固态电池是被看做下一代最有希望替代液态锂电池的动力来源。固态电池与现有量产的动力电池相比,采用了固态的电解质。不同于液态电解质易燃的特征,固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,在高压下更稳定,允许电池在高电压下工作,这样就会很大程度地提高锂电池的比能量和安全性。

目前限制全固态锂电池应用的主要问题是电池的能量及功率密度低,而决定电池能量及功率密度的主要因素包括电极材料、电解质材料和二者的界面的特性。在无机化学领域,众多大师已经将无机电解质研究了个遍,这为锂电池电解质的选择打下了结实的基础。

例如,最近无机硫化物固态电解质就因为其高的离子电导率而备受关注。其离子电导率可以与有机液态电解质相媲美了。但是,全固态电池中的界面问题一直未能有效解决。

界面问题:

电解质由液态换成固体之后,锂电池体系由电极材料-电解液的固液界面向电极材料-固态电解质的固固界面转化。区别在于,固固之间无润湿性,其界面的更易形成更高接触电阻。固体电解质/电极界面存在难以充分接触、组分相互扩散甚至反应及形成空间电荷层等现象,造成全固态锂离子电池内阻急剧增大、电池循环性能变差。

关于如何在活物质和固态电解质之间建立紧密的结合,目前有三种方式:

一是利用脉冲激光沉积,该方法虽然效果较好但是处于实验室阶段,而且想要用此种方式进行规模化生产时不切实际的。

二是行星球磨技术,利用该种方式虽然可以实现大规模量产,但是粉体之间相互摩擦,颗粒破坏不可避免,材料结构的破坏对电池的负面影响不言自明。

三是热压技术,热处理会破坏固态电解质,所以目前还没有特别理想的方式。

1.原理

近日,《Powder Technology》上刊登了一篇文章,Takashi Kawaguchi利用一种冲击-混合设备对电解质和活物质的界面接触问题进行了研究。该设备的原理如图1所示。

图1.冲击-混合设备的原理图,a前视图b侧视图

其目的是利用混合设备通过干法包覆的形式,以较大颗粒的正极材料(NCM11)为宿主颗粒,以较小颗粒的电解质颗粒为寄宿颗粒,将小颗粒包覆在大颗粒表面。考虑到经济问题,研发者使用了一种硫化物电解质的模型颗粒材料硫酸钠。两种原材料的形貌是这个样子的:

图2.(a)NCM111的SEM(b)Na2SO4的SEM

颗粒分析结果显示,NCM颗粒中位径为5.4μm,硫酸钠为0.95μm。NCM颗粒是刚性的且易碎的,而硫酸钠颗粒正好相反具有相当的韧性。NCM作为混合导体,具有导电性而硫酸钠是不导电的。同时,经过压痕实验也确认了硫酸钠的机械性能和硫化物电解质((75 mol%Li2S·25 mol%P2S5)是相仿的。

2.实验方式和结果

a.形貌特征的不同

采用三种混合方式进行了对比:A.简单的振动混合B.研磨混合C.研磨混合后用冲击-混合干法包覆。如图3所示。

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