锂离子电池用固态电解质的研究现状与展望

锂离子电池用固态电解质的研究现状与展望

熊伟

惠州锂威新能源科技有限公司 广东惠州 516000

摘要：本文探讨了锂离子电池用固态电解质的研究现状与展望。首先，介绍了锂离子电池固态电解质的特点及研究现状，详细探讨了氧化物、硫化物、聚合物和凝胶聚合物等不同类型的固态电解质及其应用场景。随后，深入分析了提升固态电解质性能的关键问题，包括离子导电率、电化学窗口、固固界面和两相相容性等方面。在最后，展望了固态电解质在未来的发展趋势，特别关注了新型材料设计、纳米技术应用、环保可持续性和大规模商业化等方面的挑战和机遇。

关键词：锂离子电池；固态电解质；运用现状；发展展望

前言

锂离子电池作为当今最为普遍应用的电池之一，其性能的提升一直是科研领域的热点之一，固态电解质作为锂离子电池的重要组成部分，在提高电池安全性、循环寿命以及能量密度方面具有巨大潜力。本文旨在系统性地总结锂离子电池固态电解质的研究现状，深入探讨其分类、性能优化和未来发展方向，为相关研究提供全面的参考。

一、锂离子电池固态电解质特点及研究现状

锂离子电池作为一种高能量密度和轻量化的电池系统，在现代电子设备和电动汽车等领域得到广泛应用，然而传统液态电解质在高温、高压等条件下存在安全隐患，限制了锂离子电池的进一步发展，因此固态电解质作为一种潜在的替代方案受到了广泛关注。固态电解质具有多种引人注目的特点，其中包括较高的化学稳定性、更宽的工作温度范围以及更好的安全性能，这些特性使得固态电解质能够应对传统液态电解质所面临的一系列挑战，如极端工作条件下的电池性能退化和安全问题。目前，关于锂离子电池固态电解质的研究正处于积极发展的阶段。在研究现状方面，学术界和工业界正在集中力量解决固态电解质的关键问题，包括提高电导率、解决与电极的界面问题以及改善材料的加工性能，通过设计新型固态电解质材料，优化结构，调控界面特性，以及采用先进的制备技术，取得了一系列显著的研究成果。此外，一些新型固态电解质材料，如硫化物、氧化物、磷酸盐等，因其在电导率、稳定性和安全性方面的优越性能而备受关注，纳米技术的引入也为固态电解质的改性和性能提升提供了新的途径[1]。

二、锂离子电池固态电解质分类及应用场景

（一）氧化物固态电解质

氧化物固态电解质由氧化物材料构成，具备高化学稳定性和优异的离子导电性，这类固态电解质的代表性材料包括氧化锂磷酸锂（Li3PO4）、氧化锂硅酸锂（Li7La3Zr2O12，LLZO）等。氧化物固态电解质不仅具有较高的离子导电性能，还能够有效抑制锂枝晶的生成，提高电池的安全性。在应用场景上，氧化物固态电解质主要用于高能量密度要求的电池系统，例如电动汽车和大容量储能设备。

（二）硫化物固态电解质

硫化物固态电解质以硫化物材料为主，具有良好的化学稳定性和导电性能，硫化物电解质的代表性材料包括硫化锂磷酸锂（Li3PS4）、硫化锂硼硫（LiBH4）等。硫化物固态电解质在高温条件下表现出色，适用于高温电池系统，如用于航空航天领域的电池[2]。

（三）聚合物固态电解质

聚合物固态电解质采用聚合物材料作为基体，通常具有较好的柔韧性和可加工性，聚合物电解质的代表性材料包括聚乙烯氧化物（PEO）等，这类电解质常常用于柔性电池、可穿戴设备等领域，由于其轻质化和柔性设计，适用于对电池形状和重量要求较高的场景。

（四）凝胶聚合物电解质

凝胶聚合物电解质将聚合物与凝胶结合，形成具有高离子导电性的固态电解质，这类电解质既保留了聚合物的柔性和可加工性，又具备凝胶的稳定性。应用场景上，凝胶聚合物电解质常见于高度曲面和柔性电池的制备，同时也在一些特殊环境下的电池系统中发挥重要作用，如生物医学植入设备[3]。

三、锂离子电池用固态电解质的优化应用思考

（一）离子导电率

离子导电率是固态电解质在锂离子电池中发挥作用的一个重要性能参数，它直接影响电池的充放电速率、功率密度以及循环寿命。为提高固态电解质的离子导电率，可以采取多方面的策略。首先，通过设计新型固态电解质材料，研究人员致力于寻找具有高离子导电性能的新材料。例如，氧化锂硅酸锂（LLZO）等氧化物、硫化锂磷酸锂（Li3PS4）等硫化物，它们在结构上具备良好的离子传导通道，能够提供相对较高的离子导电率。其次，调控电解质材料的结构，例如通过优化晶体结构或控制晶粒尺寸，可以增加离子在材料内部的扩散速率。这种结构调控的方式可以提高电解质的整体导电性能，从而提升电池的功率密度。优化制备工艺也是提高离子导电率的重要手段。采用先进的材料制备技术，如固态反应法、溶胶-凝胶法等，可以实现电解质材料的均匀分散、纳米级别的粒径控制，从而改善材料的导电性能[4]。另外，引入导电添加剂是一种有效的策略，通过在固态电解质中引入少量的导电剂，如金属氧化物或碳材料，可形成导电网络，提高整体电解质的离子导电性能。

（二）电化学窗口

电化学窗口是指电解质在电池中可以承受的电压范围，即在电池循环工作时电解质能够安全地承受的最高和最低电压，电化学窗口的大小直接关系到电池的工作电压范围，对电池的性能和稳定性有着至关重要的影响。在锂离子电池中，电池的工作电压通常由正极和负极的电位决定，因此电解质的电化学窗口需要设计得足够宽以涵盖正负极电位的变化范围，合理选择和设计电解质材料是实现较宽电化学窗口的关键。一种常见的方法是采用高电压稳定性的固态电解质材料，如氧化物或硫化物，这些材料能够在相对较高的电位下保持稳定性，从而扩大电池的电化学窗口。例如，氧化锂硅酸锂（LLZO）是一种在高电位下表现出色的氧化物固态电解质，被广泛研究和应用。此外，通过调控电解质材料的化学成分和晶体结构，可以实现更好的电化学窗口匹配。另外，在优化应用中，拓展电化学窗口有助于提高电池的工作电压和能量密度，对于满足电动汽车和储能系统等领域对高能量密度的需求至关重要，然而需要注意的是，拓展电化学窗口也可能带来一些挑战，如材料的稳定性、电解质的界面性能等问题

[5]。

（三）固固界面

固固界面是指固态电解质与电极之间的交界面，其性质直接影响着锂离子电池的电荷传递、离子传输以及电极反应的效率，在锂离子电池中，固固界面的优化是提高电池性能和稳定性的重要任务之一。首先，优化固固界面有助于降低界面电阻，高界面电阻会导致电池在充放电过程中产生过多的热量，降低电池的能量效率，同时也限制了电池的快速充放电性能，通过改善固固界面，可以减小电极与电解质之间的电阻，提高电池的电导率，从而提高电池的功率密度和循环寿命。一种常见的优化手段是采用表面涂层技术。通过在电极表面涂覆一层薄膜，可以改善电极与固态电解质之间的相容性，减小固固界面的电阻。这些薄膜通常是由导电性能良好的材料构成，如导电聚合物、氧化物或碳基材料。此外，通过调控电极表面的化学成分、晶体结构或形貌，也可以改善电极与电解质之间的黏附性，减小固固界面的阻抗。

（四）两相相容性

两相相容性是指在电池中，电解质和电极之间的材料在长时间循环充放电过程中能够相互适应、相互稳定，不发生严重的相互反应或损伤，从而确保电池能够保持较长的寿命和稳定的性能。在锂离子电池中，两相相容性问题主要体现在电解质与电极之间，电解质通常是固态电解质，而电极则包括正极和负极活性材料。在循环充放电过程中，电解质与电极之间可能发生化学反应，形成固体电解质界面层（SEI）、极化膜等，这些反应可能导致电池性能衰退、内阻增加，甚至引发安全隐患。为了提高两相相容性，一种关键的手段是通过材料设计来选择相对稳定的电解质和电极材料，稳定性好的电解质通常能够抑制不良反应的发生，延缓电池的衰老过程。同时，优选电极材料的选择，使其在充放电循环中不易与电解质发生有害反应，有助于维持电池的性能。通过调控电解质和电极之间的界面，采用涂层、添加剂等方式，以形成一层稳定的保护层，减少两相之间的直接接触，从而降低相互反应的可能性，有助维护电池的长寿命和高性能。

四、锂离子电池用固态电解质的未来发展展望

（一）新型固态电解质材料的研究与设计

新型固态电解质材料的研究与设计是锂离子电池领域未来发展的重要方向，通过针对固态电解质的特性进行深入研究和创新设计，可以有效提高电池的性能、安全性和循环寿命。首先，新型固态电解质的研究涉及到寻找更高性能的材料。在这方面，一些氧化物和硫化物等固态电解质材料备受关注。例如，氧化锂硅酸锂（LLZO）表现出色的离子导电性能，具有很高的电化学窗口，适合应对高电压电池的需求。同时，硫化锂磷酸锂（Li3PS4）等硫化物也因其独特的电化学性能而备受研究者的关注。其次，通过优化电解质的结构和晶体缺陷，可以进一步提升固态电解质的性能，包括调控晶体结构、晶格缺陷的数量和分布等方面，通过改善结构和优化缺陷，可以提高离子在材料中的扩散速率，从而提高电池的充放电速率和功率密度。此外，对新型固态电解质材料的设计也需要考虑其制备工艺，包括制备技术，如固态反应法、溶胶-凝胶法等，可实现材料的均匀分散、纳米级别的粒径控制，从而改善材料的导电性能。

（二）拓展固态电解质在不同领域的应用

拓展固态电解质在不同领域的应用是锂离子电池技术未来发展的一个关键方向，这将为各种设备和系统提供更安全、更稳定、更高性能的电源解决方案。首先，无人机领域是固态电解质应用的潜在热点之一，无人机的需求在军事、民用和商业领域都在不断增加，而传统电池系统面临着安全性和能量密度的挑战。固态电解质的高安全性和稳定性使其成为无人机电池的理想选择，能够提供更长的飞行时间和更可靠的性能。其次，移动设备是另一个适用固态电解质的领域，智能手机、平板电脑等移动设备对电池性能的要求越来越高，而固态电解质的高安全性和稳定性能够提供更安全可靠的电源。此外，固态电解质相对于液态电解质更加轻薄，有助于减轻设备重量，提升便携性。在航空航天领域，固态电解质也具备巨大的潜力，航天器对电池的要求极高，需要在极端的环境下工作，并保证长时间的可靠性，固态电解质的高稳定性使其能够适应航空航天应用的苛刻环境，为航天器提供可靠的能源支持。随着对清洁能源和可再生能源需求的增加，固态电解质也有望在储能系统中发挥重要作用，其高安全性和长寿命使其成为大规模储能系统的理想选择，有望推动清洁能源技术的发展。

（三）纳米技术与材料设计的应用

纳米技术与材料设计的应用在固态电解质领域是一项关键的研究方向，通过精密的控制材料结构和性能，有望显著提高固态电解质的导电性能、优化固固界面。首先，纳米技术的应用可以实现对固态电解质材料的纳米级控制，通过控制材料的纳米结构，可以获得更高的比表面积和更短的离子扩散路径，有助于提高离子的迁移速率。例如，采用纳米颗粒形式的氧化物固态电解质，如氧化锂硅酸锂（LLZO）的纳米颗粒，能够提供更多的离子传导通道，提高电解质的离子导电率。其次，纳米技术的引入可以改善固固界面的特性，在固态电池中，固固界面的性质对电池性能影响巨大。纳米材料的引入能够优化固固界面，减少界面阻抗，提高电池的功率密度和充放电速率。例如，通过在电极表面涂覆纳米材料，如纳米碳或纳米氧化物，可改善电极与固态电解质之间的相容性，减小固固界面的电阻，从而提高电池性能。在材料设计方面，计算机辅助材料设计为新型固态电解质的发现提供了有力工具，通过计算模拟和先进的算法，可快速筛选和设计具有优异性能的固态电解质材料，缩短研发周期。这有助于更好地理解材料的结构-性能关系，并加速新型固态电解质的商业化过程。

（四）环保可持续的固态电解质材料

环保可持续的固态电解质材料的研究和开发是未来锂离子电池技术发展的一个关键方向，这一趋势旨在降低电池生产和使用的环境影响，提高整个电池系统的可持续性。首先，关注可持续性意味着寻找更环保、更可再生的原材料，传统液态电解质中常使用的有机溶剂和有机盐等成分往往涉及对环境的不良影响，因此未来的固态电解质材料研究将倾向于采用更环保、可再生的原材料，减少对有害化学物质的依赖。其次，降低生产过程的能源消耗是环保可持续电解质材料的另一重要方向，采用低能耗、高效率的生产工艺，尽可能减少化学合成步骤，有助于减少生产过程对能源的需求，可通过采用绿色化学合成方法、绿色溶剂以及可回收的催化剂等技术手段来实现。此外，注重电池的整体生命周期分析，包括制造、使用和废弃等阶段，通过考虑电池整个生命周期的环境影响，可以更全面地评估固态电解质材料的可持续性。在电池的设计和制造中考虑到易回收性、可再利用性，有助于减少废弃电池对环境的负面影响。

（五）大规模生产与商业化

大规模生产与商业化是固态电解质技术发展的关键步骤，其成功实现将为电池领域带来显著的影响，推动清洁能源和可持续发展的实现。首先，技术的成熟是大规模生产的基础，通过不断的研发和实验验证，固态电解质技术需要取得足够的技术进步和稳定性，以确保在大规模生产过程中能够保持一致的性能和质量水平，包括工艺的标准化、设备的优化以及生产线的可持续性等方面。其次，生产成本的降低是推动商业化的关键，通过提高生产效率、降低原材料成本、优化生产流程等手段，可以有效降低固态电解质的制造成本，使其更具竞争力。随着规模化生产，固态电解质的成本有望进一步降低，从而促使其在市场上更为广泛的应用。在实现大规模生产的过程中，与产业链上下游的合作也至关重要，与电池制造商、设备供应商、原材料供应商等方的密切合作，有助于构建完整的产业生态系统，提高固态电解质技术的商业化水平。

结语：

综上所述，通过对锂离子电池用固态电解质的研究进行全面而深入的分析，我们可以看到固态电解质技术在电池领域的前景十分光明。新型材料的设计与合成、纳米技术的应用、环保可持续性的关注以及大规模生产与商业化的前景，都为锂离子电池技术的未来发展提供了坚实的基础。这一领域的不断创新和进步将为清洁能源的推广和应用提供更为可靠的支持，为构建可持续能源体系贡献力量。

参考文献：

[1] 王丰玥,陆佳豪,迟浩然,等. 全固态锂离子电池固态电解质的研究进展[J]. 电池,2021,51(6):624-628.

[2] 贾理男,杜一博,郭邦军,等. 基于硫化物电解质的全固态锂离子电池负极研究进展[J]. 化工学报,2022,73(12):5289-5304.

[3] 李志宣,陈越,林洪斌,等. 无机固态电解质及其电极-电解质界面优化对全固态锂离子电池性能提高的研究进展[J]. 福建师范大学学报（自然科学版）,2021,37(1):18-30.

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[5]杨凯华,廖柱,黎雪松,等. 锂离子电池用离子塑性晶体-离子液体聚合物全固态电解质[J]. 储能科学与技术,2018,7(6):1113-1119

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