鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)制備及性能研究【文獻(xiàn)綜述】

1、文獻(xiàn)綜述文獻(xiàn)綜述化學(xué)化學(xué)鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)制備及性能研究鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度高、功率密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、可快速充放電、無記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保無污染等絕對(duì)優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今國際公認(rèn)的理想化學(xué)電源，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、交通工具、軍事領(lǐng)域和儲(chǔ)能方面[13]。目前國內(nèi)外鋰離子二次電池大部分采用的是液態(tài)電解質(zhì)，在生產(chǎn)使用過程中常常遇到一些問題：電解液生產(chǎn)過程中對(duì)水分要求十分嚴(yán)格，在電池生產(chǎn)裝配過程中對(duì)空氣濕度也有十分苛刻的要求

2、[4]；液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)可能泄露，部分電解質(zhì)還對(duì)集流體有腐蝕作用，極大限制了鋰離子電池向薄層化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)；在過高的溫度下發(fā)生爆炸從而造成安全事故，無法應(yīng)用在一些對(duì)安全性要求高的場(chǎng)合；此外，液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池普遍存在循環(huán)容量衰減問題，使用一段時(shí)間后由于電極活性物質(zhì)在電解質(zhì)中的溶解、反應(yīng)而部分失效。而全固態(tài)電池安全性高、基本沒有循環(huán)容量衰減，固體電解質(zhì)還起到了隔膜的作用，簡化了電池的結(jié)構(gòu)，可以向薄層化和小型化發(fā)展；此外，由于無需隔絕

3、空氣，也簡化了生產(chǎn)過程中對(duì)設(shè)備的要求，電池的外形設(shè)計(jì)也更加方便、靈活[125]。全固態(tài)鋰離子電池分兩種[2610]，一種是使用聚合物凝膠電解質(zhì)；另一種是采用無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。聚合物鋰離子電解質(zhì)體系已開展的研究眾多，按聚合物主體來分，主要有以下幾類：聚醚系（主要為聚氧化乙烯，PEO）、聚丙烯腈（PAN）系、聚甲基丙烯酸酯（PMMA）系、聚偏氟乙烯（PVDF）系和其他類型。盡管聚合物電解質(zhì)的發(fā)展和應(yīng)用，可以明顯克服液態(tài)鋰離子電池的一些缺點(diǎn)，避

4、免電解液漏液，容易薄層化和小型化，但是仍存在一些問題亟待解決：比如常溫下電導(dǎo)率偏低，與電極相容性差，機(jī)械強(qiáng)度仍有待提高。此外，聚合物電解質(zhì)制備工藝復(fù)雜、原料價(jià)格高導(dǎo)致聚合物電解質(zhì)價(jià)格昂貴。聚合物電解質(zhì)可通過共聚、交聯(lián)、形成微孔體系、納米復(fù)合、添加增塑劑等來進(jìn)行性能改進(jìn)。未來聚合物電解質(zhì)的可能朝著兩個(gè)方向發(fā)展：a)交聯(lián)短鏈形成網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)電性；b)添加粉末陶瓷，形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，增加機(jī)械強(qiáng)度[2910]。相對(duì)于凝膠聚合物電解質(zhì)

5、而言，無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)采用的是無機(jī)原料，來源廣泛，成本低；熱力學(xué)穩(wěn)定性大大改善、機(jī)械強(qiáng)度也比聚合物電解質(zhì)要好很多；能大電流充放電，使用安全性能高；不再使用制備工藝復(fù)雜的電解質(zhì)鋰鹽諸如LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6等，制備工藝要求與前兩種電解質(zhì)相比，其制備工藝要求簡單；電解質(zhì)可薄層化，同時(shí)起到隔膜的作用，極大的簡化了電池的結(jié)構(gòu)和工藝。鋰無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)（ionconduct）又稱鋰快離子導(dǎo)體（superionconduct

6、），按其晶體結(jié)構(gòu)分為晶態(tài)電解質(zhì)和非晶態(tài)電解質(zhì)。晶態(tài)電解質(zhì)又稱導(dǎo)電陶瓷，目前已研究的有鈣鈦礦（ABO3）型結(jié)構(gòu)鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)制備及性能研究2液相沉積法的制備了Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3，800退火30min的薄膜，室溫下電化學(xué)窗口超過2.4V，oC離子電導(dǎo)率接近1.57105Scm。然而，就LLTO而言，NASICON型的材料由于Ti4易還原，和金屬鋰很不穩(wěn)定。圖1.2LiTi2(PO4)3的晶體結(jié)構(gòu)Fig1.2Th

7、eStructureofthecrystallineLiTi2(PO4)3為制備出成本低、性能好的固態(tài)電解質(zhì)，近年來國內(nèi)有學(xué)者以LiTi2(PO4)3為基，以我國豐富的硅鋁酸鹽礦物為起始原料合成制備出了一系列性能優(yōu)良的礦物快離子導(dǎo)體。張玉榮[13]以LiTi2(PO4)3為基，以福建高嶺土(Al4[Si4O10](OH)8)為起始原料合成制備出的Li12xyAlxYbyTi2xySixP3xO12系列快離子導(dǎo)體，具有R3C結(jié)構(gòu)，對(duì)空氣中

8、的H2O、CO2都有很好的穩(wěn)定性，x=0.1，y=0.3離子電導(dǎo)率最大，為2.94104Scm（室溫下），并且分解電壓在4V以上。張保柱[14]以LiTi2(PO4)3為基，以山西煤矸石為起始原料合成制備出的Li12x2yAlxMgyTi2xySixP3xO12系列快離子導(dǎo)體，x=0.1y≤0.7x=0.2y≤0.6均可得到R3C結(jié)構(gòu)，x=0.1y=0.1離子電導(dǎo)率最大，為1.31104Scm（室溫下）。鋰無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用于鋰離子電池

9、，其突出優(yōu)點(diǎn)是安全性能好、適用溫度范圍寬、可大電流充放電、制備工藝簡單、對(duì)環(huán)境無污染等。以LiTi2(PO4)3為基，硅鋁酸鹽礦物為起始原料合成制備出了礦物快離子導(dǎo)體具有NASICON結(jié)構(gòu)，離子電導(dǎo)率高，對(duì)空氣穩(wěn)定，材料來源廣泛，成本低，有望應(yīng)用于全固態(tài)鋰離子電池中。參考文獻(xiàn)[1]管叢勝杜愛玲楊玉國.高能化學(xué)電源[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社2004.[2]吳宇平，戴曉兵，馬軍旗等.鋰離子電池應(yīng)用與實(shí)踐[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社2004.