全固态电池的理想正极材料!

锂电联盟会长 2024-06-21 12:28
点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!

固态电池正负极材料的技术路线

固态电池是当前二次电池领域最为活跃的研究方向之一。理论上,全固态锂离子电池的能量密度可达900Wh/kg。在安全性方面,由于固态电池中的固态电解质弹性模量较高,可以有效抑制锂枝晶的生长,提高电池安全性能。

液态/固态电池内部结构示意图

众所周知的是,固态电解质本身不能提升能量密度。但是相比较电解液,固态电解质具备更稳定、更安全,电化学窗口宽(5V以上)等性质,因此可以兼容高比容量的正负极,比如高电压正极、富锂基、硅负极、锂金属负极等材料,进而大幅提升电芯能量密度。从电池结构上看:固态电解质将电解液的隔膜功能合二为一,大幅缩小正负极间距,从而降低电池厚度,因此提升电芯体积能量密度;外传统液态锂离子电池的电解液具有流动性,内部的堆叠串联很容易发生短路,从而引发自放电和放热。固态电解质不具备流动性,固态电池可以实现电芯内部的串联、升压,可以降低电芯的包装成本,并升体积能量密度。

液态/固态电池结构示意图

固态电池正极体系较为完备,高比能量为主线渐进革新

目前的正极材料体系可继续沿用,后续可使用高电压正极材料实现更高能量密度:当电压超过4V时传统有机电解液开始分解,很难提高电池电压上限,而固态电解质与电极材料的界面反应时几乎不存在固态电解质分解的副反应,能承受更高的电压(5V),因此可以在固态电池中使用具有较高电压平台的正极材料,通过提升工作电压以获得更高的能量密度。通过向LiMn2O4中掺入少量过渡金属离子,形成的LiNi0.5Mn1.5O4147mAh/g的理论容量和4.7V的电压平台;富锂锰基正极由层状Li2MnO3与层状LiMO2M=NiCoMn或任意组合)按不同比例形成的固溶体,理论克容量可达320mAh/g,电压平台3.7V-4.6V克容量和电压平台均显著高于传统中低镍三元和磷酸铁锂正极材料,是全固态电池可选用的理想正极材料。

正极材料体系对比

目前正极材料在固态电池的应用中还存在体积效应以及生成复杂界面膜等诸多问题。首先是体积效应,在正极活性材料脱锂或嵌锂过程中,其晶胞参数将不可避免地发生缩小或扩大,造成材料颗粒体积形变。由于固态电解质与电极颗粒为刚性接触,循环过程中容易造成电极颗粒之间以及电极颗粒与电解质接触变差,或应力积累造成电解质力学性能失效,进而导致电池电化学性能的衰减。其次,固体电解质还会在与正极接触的界面处反应生成复杂的界面膜,增加电荷转移阻抗

为了解决体积效应,需要施加外部压力增加各种成分间的接触。此外开发具有更高延展性的固态电解质也可在一定程度上适应电极的可逆体积变化,降低体积效应对电池性能的影响。

LiCoO2/Li10GeP2S12/In 电池在充电前后的截面 X 射线断层成像

为了解决界面膜问题需要对正极侧进行界面修饰,引入界面改性层。在生产工艺方面,溶胶-凝胶、喷涂等技术可以很好地实现均匀的界面改性层,有效地减轻界面处的副反应。然而,过于复杂的操作和高昂的生产成本是其大规模生产的实际障碍。同时,简单的机械搅拌虽然不能提供理想的保护层,但同样可以在一定程度上改善界面的稳定性,而且该方法制备简单、成本低廉,是界面改性的一种替代方法,具有很好的应用前景。

电解质/正极界面修饰改性方法

负极石墨体系仍将被广泛使用,新型负极应用有望扩大

石墨负极短期仍将被广泛应用:1975年人们已经发现石墨可以与熔融锂或压缩锂粉形成最大LiC6的锂插层化合物,具有372mAh/g的理论容量。石墨负极在液态锂电池应用中有以下特点:

下一代硅负极应用有望扩大:硅负极室温最高嵌锂态Li15Si4理论比容量3,759mAh/g400-500℃温下Li22Si5理论比容量4,200mAh/g,超过石墨负极理论克容量372mAh/g10倍;硅嵌锂电位低,可避免锂沉积,安全性高;硅自然储量丰富、获取途径广泛、成本较低,被公认为下一代先进负极材料。

要实现硅负极的大规模应用,要克服以下缺点:硅是半导体,电子电导率和锂离子扩散系数低,嵌锂时体积膨胀明显,导致硅颗粒破裂从集流体上脱落,且伴随SEI重复生成,不断消耗锂离子,导致库伦效率低,电池容量持续衰减。固态电池体系可以较好的抑制硅负极的缺点,比如在硫化物体系中,电解质具有较高的离子电导率,可以有效促进硅负极极片中离子扩散,同时硫化物电解质具有优良的机械延展性,可以缓冲硅负极的体积变化,在固态电池中硅负极应用有望扩大。

锂金属负极成为固态电池战略高地:金属锂因具有高比容量(3861mAh/g)、最低的电化学势(-3.04V 相对于标准氢电极)和较小的密度(0.534g/cm3),一直被认为是用于下一代高比能和可充电电池最理想的负极材料。但是金属锂负极所存在的固有问题几十年来一直阻碍它的实际应用,主要包括锂枝晶穿刺隔膜引起的短路、循环过程中体积变化带来的断路现象以及不稳定的SEI膜造成的性能衰减问题等。固态电解质的使用成为解决锂金属负极固有问题的可行策略。固态电解质一般具有较高的机械强度和较高的Li+迁移数,可以抑制锂枝晶生长,使用全固态电解质还可以避免使用液态电解液时存在的电解液泄漏、化学稳定性差、易燃等问题。

负极材料体系对比

固态电解质与负极存在固-固界面问题。无论采用何种固体电解质,由此带来的界面问题对于电池性能的影响都至关重要。固态电池负极,电极与电解质之间的界面接触由固-液面接触变为固-固点接触,由于固相无润湿性,因此固-固界面将形成更高的界面电阻。

为了解决这一问题,对于不同的固态电解质采用不同的方法。对于氧化物电解质使用熔融锂配合湿磨法或泡沫铜处理固-固界面问题。一般情况下经过高温烧结之后的陶瓷片表面含有Li2CO3杂质层,对熔融锂的浸润性较差。使用湿磨法将 Li2CO3杂质打磨掉,露出纯相Li7La3Zr2O12(LLZO)电解质表面,用熔融锂接触角实验来说明金属锂与LLZO陶瓷片的相容性,其熔融锂接触角由原来的140°减小到95°,明显改善了对锂的浸润性。此外,氧化后的泡沫铜具有浸润熔融锂的性质,将一片特定形状的泡沫铜氧化后置于陶瓷片上,熔融锂会沿着泡沫铜的形状浸润整个泡沫铜孔道和泡沫铜与LLZO电解质之间的界面,取下泡沫铜后熔融锂依旧浸润在陶瓷电解质表面。

LLZO 对熔融锂的接触角测试

对于硫化物电解质以及聚合物电解质,采用置入人工固态电解质界面层方法。人工固态电解质界面层(SEI)具有良好的电子绝缘性和较低的离子迁移激活能,能够有效的降低电解质和锂金属的界面反应,促进锂金属的均匀沉积,起到保护固态电解质/锂金属界面层的作用。通过有无SEI膜的固态电池实验中可以得出,均匀的Li沉积和稳定的Li对称循环性能与所构筑的人工 SEI 保护层的存在密切的关系。

人工SEI保护层形成过程模拟

相关阅读:
锂离子电池制备材料/压力测试
锂电池自放电测量方法:静态与动态测量法
软包电池关键工艺问题!
一文搞懂锂离子电池K值!
工艺,研发,机理和专利!软包电池方向重磅汇总资料分享!
揭秘宁德时代CATL超级工厂!
搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看!
锂离子电池生产中各种问题汇编
锂电池循环寿命研究汇总(附60份精品资料免费下载)

锂电联盟会长 研发材料,应用科技
评论 (0)
  • 文/郭楚妤编辑/cc孙聪颖‍不久前,中国发展高层论坛 2025 年年会(CDF)刚刚落下帷幕。本次年会围绕 “全面释放发展动能,共促全球经济稳定增长” 这一主题,吸引了全球各界目光,众多重磅嘉宾的出席与发言成为舆论焦点。其中,韩国三星集团会长李在镕时隔两年的访华之行,更是引发广泛热议。一直以来,李在镕给外界的印象是不苟言笑。然而,在论坛开幕前一天,李在镕却意外打破固有形象。3 月 22 日,李在镕与高通公司总裁安蒙一同现身北京小米汽车工厂。小米方面极为重视此次会面,CEO 雷军亲自接待,小米副董
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:39 225浏览
  • 在智能交互设备快速发展的今天,语音芯片作为人机交互的核心组件,其性能直接影响用户体验与产品竞争力。WT588F02B-8S语音芯片,凭借其静态功耗<5μA的卓越低功耗特性,成为物联网、智能家居、工业自动化等领域的理想选择,为设备赋予“听得懂、说得清”的智能化能力。一、核心优势:低功耗与高性能的完美结合超低待机功耗WT588F02B-8S在休眠模式下待机电流仅为5μA以下,显著延长了电池供电设备的续航能力。例如,在电子锁、气体检测仪等需长期待机的场景中,用户无需频繁更换电池,降低了维护成本。灵活的
    广州唯创电子 2025-04-02 08:34 159浏览
  • 退火炉,作为热处理设备的一种,广泛应用于各种金属材料的退火处理。那么,退火炉究竟是干嘛用的呢?一、退火炉的主要用途退火炉主要用于金属材料(如钢、铁、铜等)的热处理,通过退火工艺改善材料的机械性能,消除内应力和组织缺陷,提高材料的塑性和韧性。退火过程中,材料被加热到一定温度后保持一段时间,然后以适当的速度冷却,以达到改善材料性能的目的。二、退火炉的工作原理退火炉通过电热元件(如电阻丝、硅碳棒等)或燃气燃烧器加热炉膛,使炉内温度达到所需的退火温度。在退火过程中,炉内的温度、加热速度和冷却速度都可以根
    锦正茂科技 2025-04-02 10:13 78浏览
  • 探针本身不需要对焦。探针的工作原理是通过接触被测物体表面来传递电信号,其精度和使用效果取决于探针的材质、形状以及与检测设备的匹配度,而非对焦操作。一、探针的工作原理探针是检测设备中的重要部件,常用于电子显微镜、坐标测量机等精密仪器中。其工作原理主要是通过接触被测物体的表面,将接触点的位置信息或电信号传递给检测设备,从而实现对物体表面形貌、尺寸或电性能等参数的测量。在这个过程中,探针的精度和稳定性对测量结果具有至关重要的影响。二、探针的操作要求在使用探针进行测量时,需要确保探针与被测物体表面的良好
    锦正茂科技 2025-04-02 10:41 77浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍步入 2025 年,国家进一步加大促消费、扩内需的政策力度,家电国补政策将持续贯穿全年。这一利好举措,为行业发展注入强劲的增长动力。(详情见:2025:消费提振要靠国补还是“看不见的手”?)但与此同时,也对家电企业在战略规划、产品打造以及市场营销等多个维度,提出了更为严苛的要求。在刚刚落幕的中国家电及消费电子博览会(AWE)上,家电行业的竞争呈现出胶着的态势,各大品牌为在激烈的市场竞争中脱颖而出,纷纷加大产品研发投入,积极推出新产品,试图提升产品附加值与市场竞争力。
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:49 216浏览
  • 提到“质量”这两个字,我们不会忘记那些奠定基础的大师们:休哈特、戴明、朱兰、克劳士比、费根堡姆、石川馨、田口玄一……正是他们的思想和实践,构筑了现代质量管理的核心体系,也深远影响了无数企业和管理者。今天,就让我们一同致敬这些质量管理的先驱!(最近流行『吉卜力风格』AI插图,我们也来玩玩用『吉卜力风格』重绘质量大师画象)1. 休哈特:统计质量控制的奠基者沃尔特·A·休哈特,美国工程师、统计学家,被誉为“统计质量控制之父”。1924年,他提出世界上第一张控制图,并于1931年出版《产品制造质量的经济
    优思学院 2025-04-01 14:02 152浏览
  • 据先科电子官方信息,其产品包装标签将于2024年5月1日进行全面升级。作为电子元器件行业资讯平台,大鱼芯城为您梳理本次变更的核心内容及影响:一、标签变更核心要点标签整合与环保优化变更前:卷盘、内盒及外箱需分别粘贴2张标签(含独立环保标识)。变更后:环保标识(RoHS/HAF/PbF)整合至单张标签,减少重复贴标流程。标签尺寸调整卷盘/内盒标签:尺寸由5030mm升级至**8040mm**,信息展示更清晰。外箱标签:尺寸统一为8040mm(原7040mm),提升一致性。关键信息新增新增LOT批次编
    大鱼芯城 2025-04-01 15:02 206浏览
  • 随着汽车向智能化、场景化加速演进,智能座舱已成为人车交互的核心承载。从驾驶员注意力监测到儿童遗留检测,从乘员识别到安全带状态判断,座舱内的每一次行为都蕴含着巨大的安全与体验价值。然而,这些感知系统要在多样驾驶行为、复杂座舱布局和极端光照条件下持续稳定运行,传统的真实数据采集方式已难以支撑其开发迭代需求。智能座舱的技术演进,正由“采集驱动”转向“仿真驱动”。一、智能座舱仿真的挑战与突破图1:座舱实例图智能座舱中的AI系统,不仅需要理解驾驶员的行为和状态,还要同时感知乘员、儿童、宠物乃至环境中的潜在
    康谋 2025-04-02 10:23 105浏览
  • 北京贞光科技有限公司作为紫光同芯授权代理商,专注于为客户提供车规级安全芯片的硬件供应与软件SDK一站式解决方案,同时配备专业技术团队,为选型及定制需求提供现场指导与支持。随着新能源汽车渗透率突破40%(中汽协2024数据),智能驾驶向L3+快速演进,车规级MCU正迎来技术范式变革。作为汽车电子系统的"神经中枢",通过AEC-Q100 Grade 1认证的MCU芯片需在-40℃~150℃极端温度下保持μs级响应精度,同时满足ISO 26262 ASIL-D功能安全要求。在集中式
    贞光科技 2025-04-02 14:50 134浏览
  • 职场之路并非一帆风顺,从初入职场的新人成长为团队中不可或缺的骨干,背后需要经历一系列内在的蜕变。许多人误以为只需努力工作便能顺利晋升,其实核心在于思维方式的更新。走出舒适区、打破旧有框架,正是让自己与众不同的重要法宝。在这条道路上,你不只需要扎实的技能,更需要敏锐的观察力、不断自省的精神和前瞻的格局。今天,就来聊聊那改变命运的三大思维转变,让你在职场上稳步前行。工作初期,总会遇到各式各样的难题。最初,我们习惯于围绕手头任务来制定计划,专注于眼前的目标。然而,职场的竞争从来不是单打独斗,而是团队协
    优思学院 2025-04-01 17:29 205浏览
  • 引言在语音芯片设计中,输出电路的设计直接影响音频质量与系统稳定性。WT588系列语音芯片(如WT588F02B、WT588F02A/04A/08A等),因其高集成度与灵活性被广泛应用于智能设备。然而,不同型号在硬件设计上存在关键差异,尤其是DAC加功放输出电路的配置要求。本文将从硬件架构、电路设计要点及选型建议三方面,解析WT588F02B与F02A/04A/08A的核心区别,帮助开发者高效完成产品设计。一、核心硬件差异对比WT588F02B与F02A/04A/08A系列芯片均支持PWM直推喇叭
    广州唯创电子 2025-04-01 08:53 199浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦