全固态电池电极材料

 电工家园   2019-05-16 23:50   100 人阅读  0 条评论

虽然固态电解质与电极材料界面基本不存在固态电解质分解的副反应,但是固体特性使得电极/电解质界面相容性不佳,界面阻抗太高严重影响了离子的传输,最终导致固态电池的循环寿命低、倍率性能差。另外,能量密度也不能满足大型电池的要求。对于电极材料的研究主要集中在两个方面:一是对电极材料及其界面进行改性,改善电极/电解质界面相容性;二是开发新型电极材料,从而进一步提升固态电池的电化学性能。
正极材料
全固态电池正极一般采用复合电极,除了电极活性物质外还包括固态电解质和导电剂,在电极中起到传输离子和电子的作用。LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4等氧化物正极在全固态电池中应用较为普遍。
当电解质为硫化物时,由于化学势相差较大,氧化物正极对Li+的吸引大大强于硫化物电解质,造成Li+大量移向正极,界面电解质处贫锂。
若氧化物正极是离子导体,则正极处也同样会形成空间电荷层,但如果正极为混合导体(如LiCoO2等既是离子导体,又是电子导体),氧化物处Li+浓度被电子导电稀释,空间电荷层消失,此时硫化物电解质处的Li+再次移向正极,电解质处的空间电荷层进一步增大,由此产生影响电池性能的非常大的界面阻抗。

在正极与电解质之间增加只有离子导电氧化物层,可以有效抑制空间电荷层的产生,降低界面阻抗。此外,提高正极材料自身的离子电导率,可以达到优化电池性能、提高能量密度的目的。
为了进一步提高全固态电池的能量密度及电化学性能,人们也在积极研究和开发新型高能量正极,主要包括高容量的三元正极材料和5V高电压材料等。

三元材料的典型代表是LiNi1-x-yCoxMnyO2(NCM)和LiNi1-x-yCoxA1yO2(NCA),均具有层状结构,且理论比容量高。
与尖晶石LiMn2O4相比,5V尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4具有更高的放电平台电压(4.7V)和倍率性能,因此成为全固态电池正极有力的候选材料。
除了氧化物正极,硫化物正极也是全固态电池正极材料一个重要组成部分,这类材料普遍具有高的理论比容量,比氧化物正极高出几倍甚至一个数量级,与导电性良好的硫化物固态电解质匹配时,由于化学势相近,不会造成严重的空间电荷层效应,得到的全固态电池有望实现高容量和长寿命的实周要求。

然而,硫化物正极与电解质的固固界面仍存在接触不良、阻抗高、无法充放电等问题。

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