中國粉體網(wǎng)訊 以固體電解質(zhì)替代有機液體電解液的全固態(tài)鋰電池，在解決傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度偏低和使用壽命偏短這兩個關(guān)鍵問題的同時，有望徹底解決電池的安全性問題，符合未來大容量新型化學儲能技術(shù)發(fā)展的方向。全固態(tài)鋰電池，各組成部分大多采用無機粉體材料，通過集成技術(shù)形成全電池。
全固態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖
（圖片來源：宋潔塵等：全固態(tài)鋰離子電池的研究進展與挑戰(zhàn)）
固態(tài)電解質(zhì)在全固態(tài)鋰離子電池中起到傳輸鋰離子的作用。固態(tài)電解質(zhì)可分為有機聚合物電解質(zhì)和無機固態(tài)電解質(zhì)，前者包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)和凝膠聚合物電解質(zhì)，后者包括氧化物基固態(tài)電解質(zhì)和硫化物基固態(tài)電解質(zhì)。
固態(tài)電解質(zhì)的分類
（圖片來源：宋潔塵等：全固態(tài)鋰離子電池的研究進展與挑戰(zhàn)）
氧化物電解質(zhì)粉體
以石榴石型固態(tài)電解質(zhì)Li7La3Zr2O12粉體為例：傳統(tǒng)的制備LLZO方法主要為固相法和溶膠–凝膠法。固相法得到的LLZO室溫離子電導率較高，而溶膠–凝膠法易于得到納米級LLZO粉體。采用場輔助燒結(jié)或氧氣氛燒結(jié)也可以得到性能較好的LLZO粉體。此外，LLZO對空氣有較好的穩(wěn)定性，不與金屬鋰反應，燒結(jié)體具有優(yōu)良的機械強度，有望成為全固態(tài)鋰電池理想的固態(tài)電解質(zhì)材料。
硫化物電解質(zhì)粉體
在機械壓力下晶界接觸良好、離子電導率高，因此使用硫化物電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池可以在常溫下通過簡單的機械壓力法獲得。電池的復合正極層由正極材料、硫化物固態(tài)電解質(zhì)和導電碳顆粒復合而成。正極層、固態(tài)電解質(zhì)層和金屬負極層依次放入模具中，通過在正負極兩端施加機械壓力完成全固態(tài)電池的制備。
Li-P-S-基硫化物體系，例如Li-Ge-P-S陶瓷和Li2S-P2S5玻璃陶瓷，它們的室溫鋰離子電導率高于10–3S/cm，而且其粉體經(jīng)冷壓后的塊體具有非常低的晶界電阻，即很高的晶界鋰離子電導率。
電極粉體材料
作為電池體系中的鋰離子提供者，正極材料主要有LiCoO2、尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4、橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等三元材料，以及富鋰層狀結(jié)構(gòu)的Li2MnO3·LiMO2（M=Ni、Co、Mn等過渡金屬）。
負極是在電池充電過程中發(fā)生鋰化的地方，主要有石墨、金屬鋰及其合金、硅基和錫基材料、金屬氧化物等。以上電池正負極材料中，包括磷酸鐵鋰、三元材料、石墨負極、硅碳負極等主流電極材料都是粉體形態(tài)。
三元正極粉體材料
鋰離子電池用鎳鈷錳三元正極材料由于能量密度高、循環(huán)性能好而備受市場青睞，但其存在表面殘堿高、安全性能差的缺點。無機固態(tài)電解質(zhì)具有高離子電導率、高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的特點。將無機固態(tài)電解質(zhì)材料包覆在三元正極材料顆粒的表面，使得三元正極材料不直接接觸電解液，從根源上解決了三元正極材料的安全、循環(huán)等問題。
美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員采用磁控濺射技術(shù)，在20mTorr的Ｎ2氣氛中，以80Ｗ的功率向三元正極材料粉體濺射Li3PO4靶材，在一種富鋰化的三元正極材料Li1.2Mn0.525Ni0.175Co0.1O2顆粒表面均勻地鍍上了一層非常薄的LiPON層。涂有LiPON的富鋰三元復合正極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。
新形態(tài)粉末鋰負極
鋰電極表面粗糙程度的不同導致了表面電荷分布的不均勻，進而導致了鋰沉積的不均勻，在充放電過程中形成鋰枝晶，因而改變鋰負極的形態(tài)，增大比表面積，可以有效抑制鋰枝晶的產(chǎn)生。新形態(tài)粉末鋰電極由于其較大的比表面積而受到研究者們的關(guān)注，采用粉末狀的金屬鋰作為負極可以提高鋰電極的界面穩(wěn)定性能。微乳液法是制備鋰粉末電極的常用方法，其得到的粉末鋰直徑為10～40μm，比表面積是鋰片比表面積的4.5～6倍。
導電劑粉體
全固態(tài)鋰電池的開發(fā)，新世紀以來進展迅猛，尤其是基于硫化物電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池，由于電解質(zhì)離子電導率較高，研究進展極為迅猛。典型的全固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)中負極多為金屬鋰或合金負極材料，中間層為硫化物電解質(zhì)，電解質(zhì)另一側(cè)為復合正極，復合正極通常是導電劑、活性物質(zhì)和電解質(zhì)三者的混合物，以實現(xiàn)在固態(tài)電極中活性物質(zhì)顆粒鋰離子和電子的順利導通。
有研究人員以單質(zhì)硫為活性物質(zhì)研究了復合導電添加劑對全固態(tài)鋰硫電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)以乙炔黑（AB）為導電碳材料明顯優(yōu)于Super P和Ketjen Black；優(yōu)化復合正極的組成，發(fā)現(xiàn)硫：乙炔黑：固體電解質(zhì)的質(zhì)量比為40:20:40時，全固態(tài)鋰硫電池在室溫和60℃下均具有良好的電化學性能。
除了乙炔黑（AB）之外，碳納米管（CNTs）粉體也被用作導電劑。AB和CNTs作為正極電子導體各有優(yōu)劣，有研究者將兩種導電劑相結(jié)合后發(fā)現(xiàn)，全固態(tài)電池的初始放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性都得到了提高，比之前兩種導電劑單獨使用時的容量均高許多。這是由于其中AB可以填充在顆粒間隙，增加壓實密度，而CNTs在一定范圍長程導電，二者結(jié)合起來發(fā)揮各自優(yōu)勢從而提高全固態(tài)電池的循環(huán)性能。
填料粉體
固態(tài)聚合物電解質(zhì)中，PEO由于具有安全性好、成本低、易制備、能量密度高、電化學穩(wěn)定性好、與鋰鹽相容性好等優(yōu)點，已成為了固態(tài)電解質(zhì)的研究焦點，但是其離子電導率低，無法滿足實際應用要求。
無機陶瓷填料的添加除了可以降低PEO的結(jié)晶度，增加其非晶區(qū)域所占比例外，還可以通過與PEO和鋰鹽相互作用，間接或直接實現(xiàn)對鋰離子遷移率的影響，進而提高PEO固態(tài)聚合物電解質(zhì)的離子電導率。
小結(jié)
全固態(tài)電池中的核心材料——固態(tài)電解質(zhì)以及正負極材料絕大多數(shù)都是粉體形態(tài)；為提高材料導電性和離子電導率而添加的各種導電劑、無機填料等也都是粉體。同時，各種電解質(zhì)、電極以及導電劑、填料等粉體材料通過復合來提升固態(tài)電池的性能。此外，正極前驅(qū)體、新型金屬鋰負極、包覆改性用材料等大多也都是粉體。
參考來源：
陳凱等：體型無機全固態(tài)鋰離子電池研究進展
孫麗媛等：三元正極材料與無機固態(tài)電解質(zhì)復合正極材料的研究進展
宋潔塵等：全固態(tài)鋰離子電池的研究進展與挑戰(zhàn)
陳龍等：全固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料—固態(tài)電解質(zhì)研究進展
關(guān)尚升等：全固態(tài)電池用硫系玻璃電解質(zhì)材料研究進展
李靜等：固態(tài)鋰離子電解質(zhì)的研究進展
許曉雄等：全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望
陳昱锜：固態(tài)鋰電池用金屬鋰負極的改性研究
曹毅：基于硫化物固體電解質(zhì)的固態(tài)鋰電池界面改性及其性能研究
