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1. 前言

鋰離子電池由于其具有能量密度高,、循環(huán)壽命長(zhǎng),、自放電率低、無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì),，從眾多儲(chǔ)能技術(shù)中脫穎而出，成為目前電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域中最重要的一部分,。近年來,，鋰離子電池的應(yīng)用場(chǎng)景迅速拓寬，從便攜式電子產(chǎn)品到電動(dòng)汽車,、家庭儲(chǔ)能,、工業(yè)儲(chǔ)能等，鋰離子電池已經(jīng)滲透到社會(huì)的各個(gè)方面,，這也對(duì)鋰離子電池的安全性和能量密度提出了更高的要求,。

傳統(tǒng)鋰離子電池傳導(dǎo)鋰離子主要依靠有機(jī)液態(tài)電解液，電解液易燃,、易揮發(fā)的特性導(dǎo)致電池在過熱,、短路、過充,、機(jī)械損傷等情況下存在熱失控,、起火、爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn),。新能源汽車安全事故時(shí)有發(fā)生,，保障新能源汽車安全運(yùn)行是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)。近年來,，通過電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新,，一定程度上提升了動(dòng)力電池運(yùn)行安全性。面向未來,，從電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展到材料體系創(chuàng)新是動(dòng)力電池的必然趨勢(shì),。

此外，能量密度是動(dòng)力鋰電池的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),?！吨袊?guó)制造2025》和《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021~2035)》等規(guī)劃提出到2025年和2030年，電芯的單體能量密度逐步實(shí)現(xiàn)400~500Wh/kg的目標(biāo),。然而液態(tài)鋰離子電池受化學(xué)體系限制,，預(yù)計(jì)能量密度上限為300Wh/kg，這難以滿足未來戰(zhàn)略需求,。

因此,，發(fā)展高安全性、高能量密度的儲(chǔ)能技術(shù)來彌補(bǔ)液態(tài)鋰離子電池的不足是未來鋰離子電池的重要發(fā)展方向,。

使用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì),，發(fā)展全固態(tài)鋰電池,，能夠解決當(dāng)前液態(tài)離子電池所面臨的能量密度瓶頸和安全隱患，成為最具潛力的下一代鋰離子電池后續(xù)技術(shù),。如圖1所示,，全固態(tài)鋰電池的結(jié)構(gòu)與工作原理與液態(tài)鋰離子電池類似，但固態(tài)電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性,、化學(xué)穩(wěn)定性較高,，不會(huì)泄露、燃燒或爆炸,， 從而降低了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，提高了電池的本征安全性,。同時(shí),，固態(tài)電解質(zhì)的楊氏模量較高，可以有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng),，有望實(shí)現(xiàn)金屬鋰負(fù)極的應(yīng)用,，使電池的能量密度大幅提升。此外,，全固態(tài)電池的封裝更加簡(jiǎn)便,。在固態(tài)電池中使用雙極堆積技術(shù)可以減少極耳、引線等非活性材料的使用,，而且電池模組不需要冷卻系統(tǒng),，有望進(jìn)一步提高系統(tǒng)的體積和質(zhì)量能量密度。

圖1.液態(tài)鋰離子電池與全固態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)對(duì)比

2. 固態(tài)電解質(zhì)研究現(xiàn)狀

固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心材料,，也被稱為快離子導(dǎo)體,。它是指在使用溫度區(qū)間內(nèi)為固態(tài)，對(duì)電子呈現(xiàn)出良好的絕緣性,，并且具有較高鋰離子傳導(dǎo)能力的一類材料,。固態(tài)電解質(zhì)由于具有一定的力學(xué)強(qiáng)度和快速傳導(dǎo)鋰離子的能力，因此可以有效地替代商用鋰電池中的電解液和隔膜,，成為在全固態(tài)電池內(nèi)部提供鋰離子傳輸路徑的介質(zhì),。

當(dāng)前，研究者們己經(jīng)開發(fā)出各式各樣的固態(tài)電解質(zhì),。根據(jù)其組成成分,，固態(tài)電解質(zhì)可以分為聚合物、無機(jī)物和有機(jī)/無機(jī)復(fù)合電解質(zhì)三大類,。其中,，無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)可以分為氧化物、硫化物等細(xì)分種類,。

2.1 聚合物固態(tài)電解質(zhì)

聚合物基固態(tài)電解質(zhì)一般為聚合物基體和鋰鹽均勻混合形成的固溶體,。與無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)相比,， 聚合物固態(tài)電解質(zhì)具有柔軟性好、粘性高,、價(jià)格低廉,、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。

聚合物電解質(zhì)中的極性基團(tuán),，如Ｃ＝O,、Ｃ＝Ｎ、一O一,、一Ｓ一等,，可以與鋰離子配位，進(jìn)而促進(jìn)鋰鹽的溶解,，產(chǎn)生自由移動(dòng)的離子,。目前，大部分研究認(rèn)為聚合物電解質(zhì)中的離子傳輸主要發(fā)生在Tg 以上的無定形區(qū)域,，因此其鏈段的運(yùn)動(dòng)能力也是離子高效輸運(yùn)的關(guān)鍵,。如圖2所示，鋰離子在特定位置與聚合物鏈上的極性基團(tuán)配位,，通過聚合物鏈局部的鏈段運(yùn)動(dòng),，產(chǎn)生自由體積，從而使鋰離子在鏈內(nèi)和鏈間實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo),。

             圖2.聚合物固態(tài)電解質(zhì)離子輸運(yùn)機(jī)制示意圖                                         

聚合物固態(tài)電解質(zhì)通常具有較低的室溫離子電導(dǎo)率,，例如PEO的離子電導(dǎo)率在10-7~10-5 S/cm范圍內(nèi)，難以滿足固態(tài)電池的實(shí)際使用需求,。為了提高聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率,， 常用的方法包括添加增塑劑以增加鏈段間的自由體積，或者添加有機(jī)溶劑以進(jìn)一步促進(jìn)鋰鹽的溶解,。

2.2 無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)

晶態(tài)材料中的離子遷移通常遵循Arrhenius公式,，其取決于晶體結(jié)構(gòu)中缺陷的濃度和分布。如圖3所示,，基于Schottky和Frenkel 點(diǎn)缺陷的離子擴(kuò)散機(jī)制包括簡(jiǎn)單的空位擴(kuò)散和相對(duì)復(fù)雜的雙空位機(jī)制,、間隙機(jī)制、間隙-置換交換機(jī)制等,。

圖3.晶態(tài)固態(tài)電解質(zhì)離子輸運(yùn)機(jī)制示意圖

（1）氧化物固態(tài)電解質(zhì)

氧化物固態(tài)電解質(zhì)根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)主要可以分為鈣鈦礦型Li5La3Ti2O12 (LLTO),、石榴石型Li7La3Zr2O12 (LLZO),、LISICON型Li14Zn(GeO4)4和NASICON型Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP)、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)固態(tài)電解質(zhì)。氧化物固態(tài)電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)在10-4~10-3 S/cm范圍內(nèi),，通過元素?fù)诫s、優(yōu)化制備工藝等手段可以進(jìn)一步提升氧化物固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)。例如，對(duì)LLZO進(jìn)行Ta,、Al或者Ca摻雜可以增加晶體內(nèi)的鋰空穴位，提升其電導(dǎo)率至10-3 S/cm的水平,。此外,，超快燒結(jié)技術(shù)等可以避免燒結(jié)過程中原料的損失，合成高質(zhì)量的陶瓷,。

不同的氧化物固態(tài)電解質(zhì)由于晶體結(jié)構(gòu)以及元素組成不同,，表現(xiàn)出差異化的化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性。LATP 和LAGP在與鋰金屬負(fù)極匹配時(shí),，高價(jià)離子Ti4+和Ge4+會(huì)被金屬鋰還原,，形成離子和電子混合導(dǎo)電的界面中間相，進(jìn)而直接影響界面的穩(wěn)定性,。雖然LLZO電解質(zhì)理論上在空氣中化學(xué)穩(wěn)定,，但研究發(fā)現(xiàn)，LLZO容易與空氣中的水分和CO2反應(yīng),，在表面形成有害的Li2CO3鈍化層，從而影響電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和與金屬鋰負(fù)極的界面潤(rùn)濕性,。

氧化物固態(tài)電解質(zhì)的楊氏模量較高,，理論上可以有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。然而,，較高的楊氏模量也不利于電解質(zhì)與電極界面的物理接觸,，且不能有效容納電極材料在電化學(xué)過程中的體積變化，導(dǎo)致固態(tài)電池內(nèi)部產(chǎn)生的局部應(yīng)力不能有效釋放,，進(jìn)而引起電池的接觸損失和力學(xué)失效,。此外，氧化物固態(tài)電解質(zhì)的脆性較高,，同時(shí)在制備陶瓷片和復(fù)合正極時(shí)通常需要高溫退火工序,，這使得相應(yīng)的類型全固態(tài)電池的制備具有相當(dāng)大的技術(shù)挑戰(zhàn)。一方面需要保證在固態(tài)電池制備過程中電解質(zhì)不能發(fā)生脆斷,；另一方面,，又需要保證電解質(zhì)與正極在共燒結(jié)過程中不能發(fā)生元素的劇烈擴(kuò)散，以避免材料結(jié)構(gòu)的相變,。因此,，在電解質(zhì)與電極界面處引入聚合物緩沖層構(gòu)筑多層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)或者制備有機(jī)-無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)， 可以有效解決氧化物電解質(zhì)與電極的物理不兼容性,，同時(shí)有利于其大規(guī)模生產(chǎn)制備,。

（2）硫化物固態(tài)電解質(zhì)

與氧化物固態(tài)電解質(zhì)相比，硫離子的半徑比陽離子更大，電負(fù)性更小,，因此硫化物固態(tài)電解質(zhì)對(duì)鋰離子的結(jié)合力更低,。這使得硫化物中形成的離子傳輸通道比氧化物電解質(zhì)更寬，更容易傳輸鋰離子,，從而顯示出更高的離子電導(dǎo)率,。此外，硫化物固態(tài)電解質(zhì)還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,、良好的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn),。根據(jù)組成和結(jié)構(gòu)，硫化物固態(tài)電解質(zhì)主要分為玻璃態(tài),、Thio-LISICON,、玻璃-陶瓷、鋰硫銀鍺礦型以及LGPS超離子導(dǎo)體,。玻璃態(tài)硫化物固態(tài)電解質(zhì)包括Li2S-GeS2,、Li2S-SiS2、Li2S-P2S5-LiI,，其室溫鋰離子電導(dǎo)率~10-4 S/cm,。Thio-LISICON型Li3.25Ge0.25P0.7S4室溫鋰離子電導(dǎo)率2.2×10-3 S/cm。玻璃-陶瓷型Li7P3S11室溫鋰離子電導(dǎo)率2.2×10-3 S/cm,。鋰硫銀鍺礦型硫化物電解質(zhì)Li6PS5X(X=Cl,、Br、I)具有較高鋰離子電導(dǎo)率,，通過固相法合成的Li6PS5Cl室溫電導(dǎo)率高達(dá)4.96×10-3 S/cm,。超離子導(dǎo)體Li10GeP2S12 (LGPS)被認(rèn)為具有里程碑意義，其室溫鋰離子電導(dǎo)率為1.2×10-2 S/cm,，與液態(tài)電解質(zhì)相當(dāng),。通過鹵素?fù)诫s后，Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3超離子導(dǎo)體,，其室溫鋰離子電導(dǎo)率甚至超過液態(tài)電解質(zhì),，達(dá)到了2.5×10-2 S/cm。

除了較高的離子電導(dǎo)率,，硫化物電解質(zhì)獨(dú)特的力學(xué)性能也是其備受青睞的原因之一,。硫化物電解質(zhì)的模量介于氧化物和聚合物之間，從材料力學(xué)的角度來看,，硫化物電解質(zhì)不僅可以抑制鋰枝晶的生長(zhǎng),，同時(shí)其質(zhì)地較軟，通過簡(jiǎn)單的冷壓即可實(shí)現(xiàn)致密化,，避免了類似氧化物陶瓷的高溫?zé)Y(jié)過程,。然而,，硫化物電解質(zhì)的斷裂韌性值較低，在電池制備和循環(huán)過程中容易脆斷,，從而引起電池的力學(xué)失效,。

大部分硫化物固態(tài)電解質(zhì)在空氣中都不穩(wěn)定，空氣中微量的水分即可引起電解質(zhì)的水解反應(yīng),，導(dǎo)致不可逆的結(jié)構(gòu)變化和離子電導(dǎo)率降低,，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生有毒的H2S氣體。因此,， 硫化物電解質(zhì)的合成,、儲(chǔ)存和加工均需要嚴(yán)格的無水條件，以維持材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全性,， 這顯然增加了生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和成本,，限制了其規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用,?；谲浻菜釅A理論，目前研究者通過氧化物共混或元素?fù)诫s等手段開發(fā)空氣穩(wěn)定的硫化物電解質(zhì),。

2.3 有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)

目前單一的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì),、聚合物固態(tài)電解質(zhì)分別存在著離子電導(dǎo)率低、產(chǎn)生枝晶,、界面不穩(wěn)定等各種問題,，無法滿足全固態(tài)鋰金屬電池的性能要求。為了克服無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)的缺點(diǎn),，將無機(jī)填料加入到聚合物基體中,，形成有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì),，不僅可以提高聚合物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率,，而且能夠抑制枝晶產(chǎn)生、提高機(jī)械強(qiáng)度,、提高界面穩(wěn)定性以及兼容性等,。

復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)結(jié)合了無機(jī)固體電解質(zhì)和有機(jī)固體電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。在聚合物固態(tài)電解質(zhì)中加入無機(jī)填料后得到的固態(tài)電解質(zhì)具有優(yōu)異的綜合性能,，無機(jī)填料可以起到三方面的作用：①降低結(jié)晶度,，增大無定形相區(qū)，利于Li+遷移,；②填料顆粒附近可以形成快速Li+通道,；③增加聚合物基質(zhì)的力學(xué)性能，使其易于成膜,。有機(jī)-無機(jī)復(fù)合電解質(zhì)可以提升鋰離子導(dǎo)電率,，鋰離子導(dǎo)電機(jī)理主要有以下三種：①有機(jī)相傳導(dǎo)鋰離子；②無機(jī)相傳到鋰離子；③有機(jī)-無機(jī)界面?zhèn)鲗?dǎo)鋰離子,。

3. 全固態(tài)電池研究面臨的問題

3.1 離子電導(dǎo)率低

如果將液態(tài)電解質(zhì)全部替換為固態(tài)電解質(zhì),，構(gòu)建全固態(tài)電池，那么首先要考量固態(tài)電解質(zhì)本身鋰離子電導(dǎo)率是否足夠,。液態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率10-2S/cm,，氧化物固態(tài)電解質(zhì)燒結(jié)成陶瓷之后離子電導(dǎo)率10-4S/cm，粉體狀態(tài)直接冷壓成型~10-8S/cm,，氧化物是無法直接使用在全固態(tài)電池中的,。聚合物固態(tài)電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率~10-6S/cm ~10-5S/cm，溫度升到60℃左右才能達(dá)到~10-3S/cm,，然而溫度升高到60℃時(shí),，聚合物固態(tài)電解質(zhì)已接近熔融狀態(tài)，真正意義上已經(jīng)不屬于固態(tài)電解質(zhì),。相較于氧化物固態(tài)電解質(zhì)和聚合物固態(tài)電解質(zhì),，硫化物固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率較高，燒結(jié)成陶瓷后的室溫離子電導(dǎo)率接近液態(tài)電解液,，從電導(dǎo)率方面考量,，全固態(tài)電池只能寄希望于硫化物全固態(tài)電解質(zhì)，以及有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì),。

 表1.三種常見固態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)電解液對(duì)比

3.2 固-固物理接觸差

如圖4所示,，在液態(tài)鋰離子電池中，流動(dòng)的有機(jī)電解液能夠充分浸潤(rùn)電極片,，同時(shí)填充到電極的孔隙中,，形成良好的液-固浸潤(rùn)界面，從而在電池內(nèi)部建立起從正極到負(fù)極貫通且高效的鋰離子傳輸通道,。但固態(tài)電池中的固態(tài)電解質(zhì)無法流動(dòng),，這意味著固態(tài)電解質(zhì)與正極、負(fù)極顆粒固-固接觸的浸潤(rùn)效果是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上液-固界面的,，且接觸的有效面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液態(tài)電解質(zhì)與正極,、負(fù)極固體顆粒。

圖4.液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)與正極顆粒界面對(duì)比

為了克服固態(tài)電池中固-固物理接觸所帶來的問題,，研究人員通過在電極材料上原位生長(zhǎng)固態(tài)電解質(zhì)來改善固-固界面,，這種包覆層有效改善了電極內(nèi)部的固-固物理接觸，降低界面阻抗,。此外,， 通過熱壓或者冷壓工序減少電極內(nèi)部的孔隙率也是提高電極組分間物理接觸的簡(jiǎn)單有效策略。

另外,，考慮到固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電導(dǎo)率及界面浸潤(rùn)不如液態(tài)電解液,，那么就勢(shì)必要增加正極,、負(fù)極活性物質(zhì)材料中固態(tài)電解質(zhì)的體積百分?jǐn)?shù)，來保證正極片與負(fù)極片鋰離子導(dǎo)電能力,。目前,，硫化物全固態(tài)電池中，正負(fù)極極片需加入25%以上固態(tài)電解質(zhì),，才能保證一定的電性能,。極片中增加大量的固態(tài)電解質(zhì)，一方面降低了活性物質(zhì)占比,，降低電池質(zhì)量能力密度,；另一方面增加了極片體積，降低電池的體積能力密度,。同時(shí),，固態(tài)電解質(zhì)本身電子電導(dǎo)率非常低，在不增加電子導(dǎo)電劑的情況下,，增加固態(tài)電解質(zhì)體積百分?jǐn)?shù)會(huì)導(dǎo)致極片電子電導(dǎo)率降低,，影響電池倍率性能。

表2.商業(yè)鋰離子電池與當(dāng)前硫化物全固態(tài)電池參數(shù)對(duì)比

3.3 界面化學(xué)/電化學(xué)副反應(yīng)

固態(tài)電解質(zhì)與電極接觸界面的離子傳導(dǎo)主要受界面化學(xué)/電化學(xué)兼容性的影響,，主要體現(xiàn)在界面元素?cái)U(kuò)散,、界面電化學(xué)副反應(yīng)和空間電荷層。硫化物電解質(zhì)和電極材料之間的(電)化學(xué)不兼容引起在界面產(chǎn)生不可逆的寄生反應(yīng),，形成高電子電導(dǎo)率,、低離子電導(dǎo)率的復(fù)雜界面相， 進(jìn)一步阻礙離子在界面的快速輸運(yùn),。此外,， 硫化物電解質(zhì)與層狀正極材料之間的鋰化學(xué)勢(shì)差異可能會(huì)導(dǎo)致界面空間電荷層的形成，也會(huì)阻礙鋰離子在界面的遷移,。

為了提高固態(tài)電解質(zhì)和正極材料的界面兼容性,，抑制界面(電)化學(xué)副反應(yīng)的發(fā)生， 目前最常用且有效的方法是通過對(duì)正極材料進(jìn)行表面包覆,，構(gòu)建界面保護(hù)層,。固態(tài)電池中的正極材料包覆物質(zhì)通常是快離子導(dǎo)體,。這些包覆材料要求具有較高的電化學(xué)穩(wěn)定性,、較高的離子電導(dǎo)率和電子絕緣性，旨在抑制界面副反應(yīng)的同時(shí)也不阻礙鋰離子跨界面的傳輸,。其中,，LiNbO3由于具有相對(duì)較髙的離子電導(dǎo)率（~10-6 S/cm）以及與硫化物和正極材料較高的電化學(xué)穩(wěn)定性而備受青睞，是目前應(yīng)用最廣泛的包覆材料,。

3.4 不均勻鋰沉積/剝離

電解質(zhì)與金屬鋰負(fù)極界面的不均勻鋰沉積/剝離過程會(huì)導(dǎo)致鋰枝晶的成核和生長(zhǎng),，可能穿透電解質(zhì)層,，造成電池短路失效，同時(shí)帶來潛在的安全的隱患,。而界面接觸,、界面(電)化學(xué)穩(wěn)定問題與枝晶生長(zhǎng)問題相互耦合，使得界面枝晶的演化過程變得格外復(fù)雜,。在全固態(tài)電池循環(huán)過程中,，施加適當(dāng)?shù)亩询B壓力能有效改善界面的物理接觸，同時(shí)可以促進(jìn)鋰的蠕變,，防止剝離過程中空隙的形成,。電解質(zhì)晶界處的剪切模量比其顆粒體相低約50%，枝晶容易沿晶界處積累和傳播,。因此,，提高固態(tài)電解層的致密度并確保電解質(zhì)與鋰負(fù)極界面的均勻接觸，是抑制枝晶生長(zhǎng)的有效手段,。

4. 全固態(tài)電池研究總結(jié)

（1）氧化物和聚合物固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率太低,，無法在全固態(tài)電池中使用，只能寄希望于硫化物固態(tài)電解質(zhì),，或者有機(jī)-無機(jī)復(fù)合電解質(zhì),；

（2）硫化物固態(tài)電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用需先解決其不穩(wěn)定性和成本高的問題；

（3）固態(tài)電解質(zhì)替代電解液有可能帶來極片離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變差,、固-固接觸差,、能量密度降低等問題；

（4）全固態(tài)電池研究難度非常高,，但其潛在的安全及能量密度優(yōu)勢(shì)仍值得進(jìn)一步研究,。

5. 全固態(tài)電池測(cè)試案例

5.1 一種固態(tài)電解質(zhì)全方位電化學(xué)性能測(cè)試方法（點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)）

固態(tài)電解質(zhì)測(cè)試系統(tǒng)SEMS1100（IEST元能科技和廈門大學(xué)共同研發(fā)），是一款專用于固態(tài)電解質(zhì)樣品的多功能測(cè)試系統(tǒng),，集壓片,、測(cè)試、計(jì)算于一體的固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)性能的全自動(dòng)測(cè)量設(shè)備,。系統(tǒng)采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，包含加壓模塊、電化學(xué)測(cè)試模塊,、致密度測(cè)量模塊,、陶瓷片壓制和夾持模塊等，適用于各類氧化物,、硫化物,、聚合物等固態(tài)電解質(zhì)的測(cè)試。

圖5.固態(tài)電解質(zhì)測(cè)試設(shè)備示意圖

（1）粉末制片

目前評(píng)估固態(tài)電解質(zhì)粉末的電化學(xué)性能時(shí)通常需要對(duì)粉末進(jìn)行壓片,，且界面接觸差的樣品還需要在表面噴涂導(dǎo)電金屬作為離子阻塞電極,，壓片時(shí)的施力大小及均勻性會(huì)在很大程度上影響所制備陶瓷片的完整性,，如圖6為不同壓片設(shè)備得到的陶瓷片宏觀照片，其中采用SEMS1100設(shè)備的均勻壓力來制備固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片,，可保證在不同的壓力范圍內(nèi)得到完整均勻的樣片,，降低樣品破壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高成品率和測(cè)試效率,。

圖6.不同設(shè)備制片結(jié)果對(duì)比

（2）離子電導(dǎo)率測(cè)試

采用SEMS1100對(duì)兩種不同的固態(tài)電解質(zhì)材料Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3（LATP）以及Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12（LLZO）進(jìn)行其電化學(xué)阻抗譜和離子電導(dǎo)率測(cè)試,。如圖7所示，通過對(duì)三明治陶瓷片施加不同的量化壓力并測(cè)量其電化學(xué)阻抗譜,，發(fā)現(xiàn)測(cè)試壓力會(huì)不同程度地影響其離子電導(dǎo)率的大小,，說明通過施加穩(wěn)定量化的壓力來測(cè)試固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)性能具有很大的必要性。

圖7.兩種固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)阻抗譜及其離子電導(dǎo)率對(duì)壓力的變化情況

（3）電子電導(dǎo)率&壓實(shí)密度測(cè)試

通過SEMS1100設(shè)備,，能夠在LATP粉末進(jìn)行壓片的過程中同步測(cè)試其電子電導(dǎo)率及壓實(shí)密度,。如圖8所示，隨著施加壓強(qiáng)的增大,，壓實(shí)密度從初始的1.7g/cm3增加至2.1g/cm3,，而電子電導(dǎo)率在50MPa左右達(dá)到穩(wěn)定，即固態(tài)電解質(zhì)材料的致密度和電子電導(dǎo)率趨勢(shì)并不完全一致,。這說明在不同的壓力條件下,，需要對(duì)固態(tài)電解質(zhì)的不同特性指標(biāo)進(jìn)行同步測(cè)試，才能夠獲得全面,、準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果,。

圖8.LATP固態(tài)電解質(zhì)電子電導(dǎo)率及壓實(shí)密度對(duì)壓力的變化情況

（4）固態(tài)鋰金屬電池循環(huán)性能

在SEMS1100配套的密封治具中組裝Li-SE-Li對(duì)稱電池，分別對(duì)該電池施加不同的壓強(qiáng),，進(jìn)行鋰金屬的循環(huán)沉積測(cè)試,，測(cè)量對(duì)稱電池的電位變化情況。如圖9所示,，當(dāng)施加壓強(qiáng)從120MPa降為110MPa后,，電池的過電位顯著增加，這說明鋰金屬電池的沉積行為對(duì)壓力變化是較為敏感的,，通過改變施加壓力來對(duì)評(píng)估固態(tài)電解質(zhì)的界面穩(wěn)定性具有重要意義,。

圖9.對(duì)稱電池的循環(huán)充放電測(cè)試

（5）電化學(xué)穩(wěn)定窗口測(cè)試

在SEMS1100配套的密封治具中組裝Li-SE-不銹鋼電池，進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試其氧化還原電位,。如圖10所示,，當(dāng)過電位升高至3V時(shí)，電池的氧化電流密度僅為約1.2μA/cm2,，這說明該固態(tài)電解質(zhì)在0~3V的電壓窗口內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定,，即通過SEMS1100設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同固態(tài)電解質(zhì)材料及其鋰金屬電池的加壓,、密封電化學(xué)測(cè)試,。

圖10.固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)窗口測(cè)試

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