Nature子刊綜述：有關(guān)鋰電池化學(xué)回響中的固態(tài)電解質(zhì)

Jane915126 4年前 (2017-02-24) 50812欣賞

【引言】

電池在我們糊口中的實(shí)際應(yīng)用起著重要的浸染，包羅電子消費(fèi)，提供汽車的動(dòng)力，間歇性可再生能源發(fā)電的牢靠負(fù)載等。然而，今朝的貿(mào)易化電池已經(jīng)不能滿意社會(huì)快速成長下的需求，好比便攜式電子器件、電動(dòng)車、網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的等。此刻電池的成長需要具有更高的能量密度、更長的輪回壽命，并且更安詳便宜。已往200年間，絕大部門電池的研究存眷的都是液態(tài)電解質(zhì)系統(tǒng)，縱然其具有高導(dǎo)電性和優(yōu)秀的電極外貌潤濕性，但其電化學(xué)機(jī)能和熱不變性欠好，離子選擇性低，安詳性差。而用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)不只降服了液態(tài)電解質(zhì)耐久的問題,也為開拓新的化學(xué)電池提供了大概性，基于這些利益，固態(tài)電解質(zhì)電池的研究利用已經(jīng)呈現(xiàn)迅速增長的趨勢。跟著不絕地研究，研究者們也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些系統(tǒng)所面對(duì)的科技問題。

最近，德克薩斯大學(xué)的Arumugam Manthiram傳授（通訊作者）等人以“Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes”為題在Nature Reviews Materials上頒發(fā)綜述，本文中提供了一個(gè)配景概覽，接頭了儲(chǔ)能應(yīng)用中的固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)料的范例、離子傳輸機(jī)制和基天性質(zhì)。

綜述總覽圖

固態(tài)離子導(dǎo)體成長的汗青最早可以追溯到十八世紀(jì)三十年月，其時(shí)法拉第加熱固態(tài)Ag2S和PbF2時(shí)發(fā)明白明明的導(dǎo)電性。十九世紀(jì)六十年月凡是被認(rèn)為是高導(dǎo)電性固態(tài)電解質(zhì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和固態(tài)離子學(xué)的起點(diǎn)，將固態(tài)電解質(zhì)用于電池的研究也可追溯到1960年。1973年發(fā)明白聚氧化乙烯基固態(tài)聚合物質(zhì)料中的離子傳輸現(xiàn)象，以后固態(tài)離子的范疇不再限制在無機(jī)質(zhì)料之中。十九世紀(jì)八十年月，ZEBRA電池成為利用β-氧化鋁鈉離子導(dǎo)電的另一范例高溫電池系統(tǒng)，本日日本已經(jīng)將ZEBRA電池貿(mào)易化。從2000年開始，固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用在以氣態(tài)或液態(tài)質(zhì)料做電極的鋰電池中，好比鋰硫電池和鋰氛圍電池等。最近幾年，又提出一種奇特的介質(zhì)離子電池觀念，固態(tài)電解質(zhì)被應(yīng)用在高能低價(jià)的水系電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中。

圖1. 固態(tài)電解質(zhì)電池成長的時(shí)間歷程

1.固體中的離子傳輸機(jī)制

在晶體質(zhì)料中，離子運(yùn)輸凡是依賴于缺陷的濃度和漫衍，基于肖特基缺陷和弗倫克爾點(diǎn)缺陷的離子擴(kuò)散機(jī)制包羅簡樸的空位機(jī)制和相對(duì)巨大的擴(kuò)散機(jī)制，如雙空位機(jī)制，間隙機(jī)制，曠地代替互換機(jī)制和集團(tuán)機(jī)制。然而，一些非凡布局的質(zhì)料可以在沒有高濃度缺陷條件下實(shí)現(xiàn)高的離子導(dǎo)率，這種布局凡是由兩個(gè)質(zhì)子和由牢靠的離子和移動(dòng)的晶格組合的一個(gè)晶體框架構(gòu)成。為實(shí)現(xiàn)快速的離子導(dǎo)電，這種布局必需滿意三個(gè)根基準(zhǔn)則：移動(dòng)離子占據(jù)可用等價(jià)位點(diǎn)的數(shù)量必需大于可移動(dòng)離子數(shù)量；可用共價(jià)位點(diǎn)之間的遷移阻礙能應(yīng)該低于離子在位點(diǎn)之間遷移的能量；這些可用位點(diǎn)必然要毗連起來形成一個(gè)持續(xù)地?cái)U(kuò)散路徑。雷同于晶體布局中的擴(kuò)散進(jìn)程, 玻璃質(zhì)料的離子運(yùn)輸從原位離子開始，原位離子被領(lǐng)位位點(diǎn)激活，然后在宏觀范疇內(nèi)會(huì)合擴(kuò)散。對(duì)大大都玻璃質(zhì)料，無定型布局中仍存在短程有序和中程有序，載流子電荷和骨架布局之間的彼此浸染不能忽略。

2.先進(jìn)的固態(tài)電解質(zhì)

離子導(dǎo)電性是固態(tài)電解質(zhì)一個(gè)重要的機(jī)能，可是在電化學(xué)儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，其他機(jī)能也至關(guān)重要。固態(tài)電解質(zhì)的主要機(jī)能有：高的離子導(dǎo)電性、低的離子面積比電阻、高的電子面積比電阻、高的離子選擇性、寬的電化學(xué)不變窗口、好的化學(xué)兼容性、優(yōu)異的熱不變性、優(yōu)異的機(jī)器機(jī)能、簡樸的制備進(jìn)程、價(jià)值低廉、易整合和情況友好。無論是無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)照舊有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，就提高上述機(jī)能的研究已經(jīng)有很大進(jìn)步。下表列出了一些已經(jīng)報(bào)道的固態(tài)電解質(zhì)及其機(jī)能，而且以雷達(dá)圖的形式展示如下：

表1. 鋰離子固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)料提要