中國(guó)粉體網(wǎng)訊  全固態(tài)鋰離子電池由于其高安全性和高能量密度被廣泛認(rèn)為是下一代儲(chǔ)能器件的關(guān)鍵技術(shù),，在實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的技術(shù)路線中,，硫化物固體電解質(zhì)具有最高的鋰離子電導(dǎo)率和良好的機(jī)械性能，成為最有可能實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的技術(shù)路線,，并受到日韓美歐等國(guó)家地區(qū)的大力支持和投入。

1,、硫化物固態(tài)電解質(zhì)

硫化物固體電解質(zhì)是由氧化物固體電解質(zhì)衍生而來(lái)的,，氧化物電解質(zhì)中的氧被硫取代即為硫化物電解質(zhì)。其化學(xué)式可寫成Lix（Ay）PzSq,，其中,，A通常為Ge、Sn,、Si等元素,，x、y,、z,、q是相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量數(shù)。

上世紀(jì)八九十年代,，以Li2S·P2S5為代表的玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)被開發(fā)出來(lái),，隨后第一個(gè)晶態(tài)的硫化物固體電解質(zhì)Li3.25Ge0.25P0.7S4在2001年被東京工業(yè)大學(xué)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)。2005年,，大阪府立大學(xué)的學(xué)者合成了玻璃陶瓷電解質(zhì)Li7P3S11,，2008年德國(guó)錫根大學(xué)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)了硫銀鍺礦型的Li6PS5X（X=Cl，Br,，I）,。2011年?yáng)|京工業(yè)大學(xué)的學(xué)者合成出Li10GeP2S12，其電導(dǎo)率到達(dá)了1.2×10–2S cm–1,，這一數(shù)值已經(jīng)可以與有機(jī)電解液的離子電導(dǎo)率相比,。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展

硫化物固體電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)率與有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)不相上下,，在室溫下通常為10-4S/cm-10-2S/cm。這是由于S2-的電負(fù)性小于O2-,，故S2-對(duì)于Li+的束縛能力較小,。S2-的半徑較大，所以其參與構(gòu)成的骨架擁有較大的Li+通道,，更有利于獲得自由移動(dòng)的Li+,。另外，硫還可以與主族元素通過共價(jià)鍵相連,，增強(qiáng)鋰的穩(wěn)定性,。硫化物固體電解質(zhì)可分為兩大體系，分別為L(zhǎng)PS和LGPS,。其中,，LPS有玻璃態(tài)和玻璃陶瓷態(tài)，LGPS為晶態(tài),。常見的制備方法有熔融法,、高能球磨法及液相法等。

2,、硫化物全固態(tài)電池

硫化物全固態(tài)電池的基本結(jié)構(gòu)如圖b所示,，由固態(tài)電解質(zhì)顆粒取代了商業(yè)化鋰電的電解液與隔膜，由于離子電導(dǎo)率高且顆粒較軟,，硫化物電解質(zhì)在制備成電池時(shí)不需要額外的燒結(jié)步驟,，所以適合采用涂布法生產(chǎn)，其生產(chǎn)工藝與現(xiàn)有的液態(tài)電池生產(chǎn)工藝沒有很大的差異,。但為了改善電池的界面接觸，通常需要在涂布后進(jìn)行多次熱壓以及添加緩沖層來(lái)改善界面接觸,。

a.傳統(tǒng)鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖 b.硫化物全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)示意圖

目前硫化物全固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品循環(huán)性能較差,，大部分都在100圈以下，界面處理,、電池組裝工藝以及固態(tài)電解質(zhì)本身都需要進(jìn)一步優(yōu)化,。并且各大高校及科研單位實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的全固態(tài)電池在正極活性物質(zhì)/固態(tài)電解質(zhì)配比，固態(tài)電解質(zhì)層厚度以及電池組裝方法上都有較大差異,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果參考價(jià)值不大,。

不久前，中國(guó)科學(xué)院物理所吳凡團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款硫化物全固態(tài)電池,，其使用鈷酸鋰和三元正極,，能從根本上提升鋰電池的安全性。該電池具有較高的耐受度,，在 6.2mAh/cm2 的高面容量下可以實(shí)現(xiàn)25C的高倍率充放電,，最高實(shí)測(cè)面容量可達(dá) 16.92mAh/cm2,。它還具有超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，在0.7mAh/cm2 的面容量以及20C的高倍率下,，這款硫化物全固態(tài)電池能夠?qū)崿F(xiàn)30000圈的超長(zhǎng)循環(huán),，在30C高倍率充放電之下則能實(shí)現(xiàn)15000圈的長(zhǎng)循環(huán)。

吳凡團(tuán)隊(duì)表示：“在目前已報(bào)道的全固態(tài)電池之中,，這款電池的面容量,、電流密度、倍率和循環(huán)性能均是最高值,�,！蔽磥�(lái)，這款電池可被用于對(duì)于安全性和穩(wěn)定性有著較高要求的電池儲(chǔ)能領(lǐng)域,，比如衛(wèi)星,、航天飛機(jī)、國(guó)防軍工,、武器裝備,、巡航導(dǎo)彈、航空飛行器等,，也有望用于醫(yī)療電池和3C產(chǎn)品等,。通過進(jìn)一步迭代工藝，以及解決全固態(tài)電池量產(chǎn)一致性的問題之后,，這款電池還有望用于新能源車,。通過進(jìn)一步降低成本，還可用于更大規(guī)模的儲(chǔ)能,。

小結(jié)

全固態(tài)鋰電池的研究距今已有50余年的時(shí)間,，目前整體仍處于實(shí)驗(yàn)室向中試產(chǎn)品發(fā)展的階段，而半固態(tài)電池有望率先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),。由于安全性優(yōu)勢(shì),，全固態(tài)電池有望在電動(dòng)汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能,、可穿戴設(shè)備,、軍工、航空航天等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,。硫化物固態(tài)電解質(zhì)因離子電導(dǎo)率優(yōu)異,，是以豐田為首的國(guó)內(nèi)外各機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，在2021年的東京奧運(yùn)會(huì)上已有裝載硫化物全固態(tài)電池的電動(dòng)汽車被使用,，而松下,、日立等企業(yè)均對(duì)外宣稱2025年完成硫化物全固態(tài)電池的量產(chǎn)。

針對(duì)固態(tài)電池相關(guān)的技術(shù),、材料,、市場(chǎng)及產(chǎn)業(yè)等方面的問題,，中國(guó)粉體網(wǎng)將在昆山舉辦第五屆高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)大會(huì)。為致力于固態(tài)電池技術(shù)開發(fā)的企業(yè),，科研院校,，以及電動(dòng)車、儲(chǔ)能,、特種應(yīng)用等終端企業(yè)提供信息交流的平臺(tái),，開展產(chǎn)、學(xué),、研合作,，共同推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。屆時(shí),，中科院物理所博士生導(dǎo)師,、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授吳凡將作題為《全固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展》的報(bào)告。報(bào)告將重點(diǎn)關(guān)注硫化物全固態(tài)電池的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題和應(yīng)用化開發(fā)難題,，探討團(tuán)隊(duì)在此領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)展,。

專家簡(jiǎn)介：

吳凡，中科院物理所博導(dǎo),；國(guó)科大教授,；共青團(tuán)常州市委副書記；中科固能董事長(zhǎng),。入選中科院百人計(jì)劃,、《麻省理工科技評(píng)論》亞太區(qū)“35歲以下科創(chuàng)35人”（MIT-TR35-Asia Pacific）、中科協(xié)海智計(jì)劃特聘專家,、江蘇省杰出青年基金,。獲全國(guó)青年崗位能手（共青團(tuán)中央）；全國(guó)未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)挑戰(zhàn)賽一等獎(jiǎng)（中央軍委）;全國(guó)先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽二等獎(jiǎng)（國(guó)家工信部）,；Wiley中國(guó)-開放科學(xué)年度作者,；江蘇青年五四獎(jiǎng)?wù)碌取Ｈ沃袊?guó)能源學(xué)會(huì)副主任,；中國(guó)共產(chǎn)黨江蘇省黨代表等。發(fā)表SCI論文92篇,，申請(qǐng)中國(guó),、美國(guó)、國(guó)際發(fā)明專利60余項(xiàng),。

參考來(lái)源：

1. Wenlin Yan,Fan Wu,et al.Hard-Carbon-Stabilized Li-Si Anodes for high-performance All-Solid-State Li-ion Batteries.

2. 張卓然等.硫化物全固態(tài)電池的研究及應(yīng)用

3. 秦志光等.硫化物固態(tài)電解質(zhì)在全固態(tài)電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡(jiǎn)）

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