提高锂基电池安全性的最有前途的方法之一是在固态电池(SSB)中用“固体”锂导电电解质陶瓷代替传统的“液体”电解质和聚合物隔膜(图1a)。与聚合物电解质相比,氧化物和硫化物陶瓷电解质的电导率可达到与“液体”电解质(~ 10-2–10-3 S cm-1)相当的水平。在氧化物和硫化物中,只有氧化物能提供相对宽的电化学稳定性窗口,实现高压正极(高达5 V)与锂金属负极配对,获得更高功率密度和能量密度的电池。尽管如此,氧化物面临三个主要缺点。首先,氧化物是易碎的,机械性能差,这可能阻碍界面处的紧密接触;其次,氧化物固体电解质与当前正极化学物质的兼容性有限,这主要与部件之间的共烧结步骤所涉及的高温过程有关,降低加工温度是确保良好化学兼容性的必要前提;第三,氧化物通常比其它种类的电解质(硫化物和聚合物)具有更高的密度,这对于总的重量能量密度是不利的,需要使用锂金属负极和高压正极。
成果简介
近日,美国麻省理工学院Jennifer L. M. Rupp团队,以“Processing thin but robust electrolytes for solid-state batteries”为题,在Nature Energy上发表最新综述文章,批判性地讨论了固态电池的研究现状以及最新加工成本,并从厚陶瓷和薄陶瓷性能参数方面的差异,比较了固态氧化物电解质的材料和工艺选择。除了阿伦尼乌斯锂传输和电化学稳定性窗口的经典图之外,作者还确定了氧化物固体电解质的热处理预算和目标相的稳定性范围,这对于未来的固态电池设计至关重要。