固態電解質技術
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
固態電解質技術的實例教程
【引言】
最近幾年，高能量電池的技術的發展，導致鋰離子電池負極材料的性能研究的緊迫。但是，鋰離子電池的循環性能較差、效率較低和鋰枝晶生長引發的安全問題。采用固態電解質（SSEs）抑制枝晶鋰生長是一項非常重要的工作。然而，大電流密度下，鋰枝晶容易生成，所以了解SSEs中鋰枝晶的生長機制尤為重要。本文通過研究兩種不同固態電解質各自和鋰之間形成的膜，找到了膜對鋰枝晶形成及生長的影響機理。
【成果簡介】
近日，美國阿肯色大學／西北太平洋國家實驗室的肖婕和華盛頓大學的楊繼輝等人，利用Li6.1Ga0.3La3Zr2O12（LLZO）和NASICON型Li2O-Al2O3-P2O5-TiO2-GeO2（LATP）顆粒作為隔板，通過SSEs研究和比較了進行Li枝晶生長的形成和生長。Li和SSEs之間的固體電解質界面（SEI）類界面層，在緩解樹枝狀Li的生長中起關鍵作用，為SSEs和Li金屬之間的界面提供了新的見解，促進了固態電池的發展。相關成果以“The Role of Solid Electrolyte Interphase Layer in Preventing Li Dendrite Growth in Solid-State Batteries”為題發表在Energy & Environmental Science上。第一作者為阿肯色大學的吳冰斌博士和華盛頓大學的王善禹博士。
【圖文導讀】
圖 1 對稱鋰離子電池的循環性能圖
（a）室溫下，對稱Li/LLZO/Li電池的循環性能圖；
（b）室溫下，對稱Li/LATP/Li電池的循環性能圖。
展開 【引言】
固態電池在安全性和穩定性方面具有十分明顯的優點，但是這些電池所采用的固體電解質通常導致電池的高電阻。諸如石榴石型Li7La3Zr2O12（LLZ）之類的固態鋰導體由于這些材料具有非常良好的電化學性能已經引起了其作為用于固態鋰電池的電解質的廣泛關注。它們通常是安全的不可燃材料，不同于傳統鋰離子電池電解質中使用的揮發性碳酸酯溶劑和活性鋰鹽，這些電解質已知是這些電池可能著火的主要原因。由于鋰枝晶的存在，在具有液體電解質的常規鋰電子電池中，鋰枝晶會刺穿隔膜導致短路，而在固態電解質中，不存在此問題。然而，固體電解質商業化的主要障礙是電池阻抗過大，這是由于固態電解質自身高的阻抗和電極-電解質接觸不良引起的界面阻抗兩方面的貢獻。液體電解質可以潤濕電極表面，但固體電解質不能，這極大地限制了電極和電解質之間的接觸面。所以設計新的電解質-電極結構對于固態電解質的開發是至關重要的。
【成果簡介】
近日，美國馬里蘭大學的胡良兵教授和Eric D.Wachsman教授（共同通訊作者）通過3D打印技術制造了Li7La3Zr2O12固態電解質。研究人員使用獨特的石榴石油墨，印刷和燒結了可能結構的樣本，揭示了薄且非平面的僅由LLZ固體電解質組成的復雜結構。3D印刷對稱的Li|LLZ|Li電池的面積比電阻在電化學循環測試中很低，使用3D打印技術進一步研究和優化電解質的結構可以使得固態電池的全單元面積比電阻顯著降低，同時使得電池的能量密度和功率密度更高。在這項工作中，可以使用更多的設計和結構。 所報道的墨水配方可以很容易地修改為與其他固體電解質或陶瓷材料一起使用，可以擴展到其他相關領域中去。相關研究成果“3D-Printing Electrolytes for Solid-State Batteries”為題發表在Advanced Materials上（第一作者Dennis W.
展開 其中最主要的就是鋰離子電池的電解液是液態的，容易發生泄漏、分解和變質等問題，導致電池發生爆炸、泄漏和失效等問題。因此開發不含液態電解質的固態電池就變得尤為重要。其中，由于空間電荷層導致的界面問題是影響高功率密度固體電池性能的重要因素，包括正極與固態電解質界面上的接觸不良、極化增加等。
【成果簡介】
近日，中科院化學所的郭玉國研究員和萬立駿院士（共同通訊）課題組，將優質的離子導體緩沖層Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3修飾到LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2上，減輕極化現象，提高動力學特性。采用具有界面電勢分析功能的原子力顯微鏡，研究修飾后正極的優異動力學的形成機理，揭示界面緩沖層對電勢分布和極化的影響。研究發現固態電池具有優異的循環穩定性和較高的倍率性能，這有助于固態電池中界面問題的研究。相關成果以“Mitigating Interfacial Potential Drop of Cathode–Solid Electrolyte via Ionic Conductor Layer To Enhance Interface Dynamics for Solid Batteries”為題發表在JACS上。
【圖文導讀】
圖 1 L-NCM的XRD和TEM結構表征
（a）L-NCM的精修XRD圖；
（b）L-NCM的TEM圖像；
（c）L-NCM的HRTEM晶格條紋像；
（d）L-NCM的TEM圖及其EDS圖。
圖 2 P-NCM和L-NCM的動力學性能表征圖
（a）P-NCM的變速CV曲線圖；
（b）L-NCM的變速CV曲線圖；
（c）充電過程中，兩個正極的GITT和準平衡電位曲線；
（d）GITT曲線中，兩個正極的電壓極化和歐姆極化圖。
展開 然而，在液態電解液中電鍍/剝離過程中，負極上的鋰不均勻沉積不可避免地導致鋰枝晶的形核和生長，這可能穿透隔膜，最終導致嚴重的短路、過熱，甚至火災和爆炸。此外，循環時鋰金屬負極內的體積變化可能導致“死鋰”的形成，從而導致嚴重的負極粉化。這些潛在的安全問題嚴重阻礙了鋰金屬電池的大規模商業應用。
為了滿足未來可持續使用的電化學能源裝置的要求，研究人員已經提出了各種方法來緩解上述安全問題，其中使用固態電解質是最有希望克服鋰金屬電池安全問題的方法之一，因為與液態電解質不同，固態電解質可以從根本上消除泄漏風險，并通過固有的機械應變限制鋰枝晶生長。固態電解質分為無機固態電解質和固態聚合物電解質（SPE），通常基于陶瓷的無機固態電解質（例如石榴石型Li7La3Zr2O12）具有優異的離子導電性和機械強度，然而無機固態電解質易碎，界面接觸不良，而具有更大柔韌性的固態聚合物電解質更容易加工，使其非常適合大規模制備。因此，使用具有可膨脹性、低成本和良好加工性能的固態聚合物電解質已成為鋰金屬電池和可穿戴電子設備的有效方法。聚環氧乙烷基聚合物因其巨大的鋰鹽溶解能力而成為研究和使用最廣泛的固態聚合物電解質，然而它們的實用性受到室溫下低離子電導率和窄電化學穩定性窗口的限制。
展開 引言
固態電池（SSB）因提高電動汽車的安全性而受到高度追捧。然而，由于難以在電池電極中的固態電解質顆粒和活性材料之間形成共形界面，SSB的制造仍然是一個挑戰。當前的界面策略采用高溫和高壓，用固態電解質和活性材料制造復合電極，并將其與固態電解質隔膜、金屬負極和集流體一起組裝成電池。這樣做時，由于熱處理過程中形成的界面相具有粘合特性，SSB在使用壽命結束時變得難以回收。迫切需要固態電解質，其特性有利于SSB的制造以及使用壽命結束時的解構和回收，同時在使用階段提供可持續的SSB性能。
成果簡介
近日，來自美國加州伯克利勞倫斯伯克利國家實驗室Brett A. Helms團隊設計了超分子有機離子（ORION）電解質，該電解質在電池工作溫度（?40°至45°C）下為粘彈性固態，但在100°C以上為粘彈性液態，這使得能夠制造高質量的電解質SSB及其壽命結束時的正極回收。采用ORION電解質以及鋰金屬負極和LFP或NMC正極的SSB在45°C下運行數百次循環，容量衰減小于20%。
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來源 | 高分子科學前沿
鋰(Li)金屬電極由于其超高的理論比容量(3860mAh g
-1)和最低的電化學電位(-3.040 V vs標準氫電極)，可以滿足下一代儲能系統的能量密度要求。然而，鋰金屬電池(LMB)的商業化有兩個嚴重的問題：不可控的鋰枝晶生長問題和不穩定的固態電解質界面(SEI)問題。(1)由于循環過程中負極側不均勻的鋰沉積，不可控的鋰枝晶生長會導致電池庫侖效率
SNe Research首先指出了固態電解質在技術層面存在的問題。全固態電池如果從電解質的角度來分類，大致可分為硫化物基、氧化物基和聚合物基三類，然而每一類電解質都存在著不同的技術問題。
硫化物基電解質具有較好的離子電導率，但化學穩定性較差，在潮濕環境下易與空氣中的水和氧氣發生反應，產生有毒氣體硫化氫。
蓋世汽車訊 據外媒報道，上海交通大學密西根學院（UM-SJTU JI）陳倩櫟教授及其合作者提出一種新設計原理，將具有高質子電導率的鈣鈦礦材料，用作固態氧化物燃料電池的電解質材料。
（圖片來源：上海交通大學）
固態氧化物燃料電池是一種電化學裝置，將氫氣、天然氣等燃料，從化學能直接轉化為電能
較低的室溫離子電導率和窄電化學窗口嚴重阻礙了傳統聚氧乙烯基（PEO基）固態聚合物電解質在高能量密度鋰金屬電池中的應用。 中國科學院北京納米能源與系統研究所蒲雄研究員團隊通過動態交聯亞胺鍵設計并合成了一種用于固態鋰金屬電池的PEO基自愈合固態聚合物電解質（SHSPE），所構建的動態網絡使這種固態聚合物電解質具有自愈能力和優異的力學性能，同時還具有超高的離子導電率和寬的電化學穩定窗口。研究結果表明，采
蓋世汽車訊 據外媒報道，為了讓電池能夠提供更多電力，更加安全地運行，研究人員致力于用固體材料取代當前鋰離子電池中普遍使用的液體。布朗大學（Brown University）和馬里蘭大學（University of Maryland）的研究團隊利用木材，開發了一種可用于固態電池的新材料。
（圖片來源
鋰金屬電池液態電解質通常會出現鋰枝晶生長和泄漏、揮發等安全問題，固體聚合物電解質由于其化學和電化學穩定性，可以緩解這些問題。然而，聚環氧乙烷基固態聚合物電解質仍然太脆，無法承受彎曲、拉伸和剪切。 在此，上海交通大學楊軍教授和華中科技大學薛志剛教授合作通過開環聚合和無引發劑硫醇?烯反應制備了高彈性環糊精基三嵌段聚合物電解質。彈性聚碳酸三甲酯使環糊精基三嵌段聚合物電解質具有優異的彈性，使其能夠承受彎曲
蓋世汽車訊 9月7日，電動汽車全固態電池開發商Solid Power公司宣布將在美國科羅拉多州建設第二個工廠。新工廠將擴大全固態電池關鍵材料的產能，包括每年生產多達30公噸的硫化物基固體電解質材料，比目前的產能增加了25倍。
（圖片來源：Solid Power）
這座新工廠占地約
目前，消費電子、電動汽車、儲能系統的發展迫切需要安全可靠、能量密度高、循環壽命長的可充電電池，然而由于有機液態電解質的易燃性，傳統的鋰離子電池面臨著嚴重的安全問題，用固態電解質取代有機液態電解質可以從本質上解決安全問題。此外，固態電解質的使用將促成固態鋰金屬電池，其提供更高的能量密度，而且固態電解質因為具有寬的電化學穩定窗口，可以通過配對高電位正極材料來實現高能量密度電池。 探索具有優異離子導電性
蓋世汽車訊 隨著對電動汽車的需求日益增長，全固態電池日益受到關注。由于鋰離子電池存在易爆風險，全固態電池被視為新一代電池選項。然而，固態聚合物電解質的離子電導率低，固態硫化物電解質的化學穩定性低，阻礙了電動汽車的普及。據外媒報道，浦項科技大學（POSTECH）創建了一種“無死區”聚合物電解質，從而加快離子傳輸速度，推進全固態電池商業化。
