【会议报告】全固态电池关键技术研究进展

全固态锂离子电池由于其高安全性和高能量密度被广泛认为是下一代储能器件的关键技术，在实现全固态电池的技术路线中，硫化物固体电解质具有最高的锂离子电导率和良好的机械性能，成为最有可能实现全固态电池的技术路线，并受到日韩美欧等国家地区的大力支持和投入。

1、硫化物固态电解质

硫化物固体电解质是由氧化物固体电解质衍生而来的，氧化物电解质中的氧被硫取代即为硫化物电解质。其化学式可写成Lix（Ay）PzSq，其中，A通常为Ge、Sn、Si等元素，x、y、z、q是相应的化学计量数。

上世纪八九十年代，以Li2S·P2S5为代表的玻璃态硫化物固态电解质被开发出来，随后第一个晶态的硫化物固体电解质Li3.25Ge0.25P0.7S4在2001年被东京工业大学的学者发现。2005年，大阪府立大学的学者合成了玻璃陶瓷电解质Li7P3S11，2008年德国锡根大学的学者发现了硫银锗矿型的Li6PS5X（X=Cl，Br，I）。2011年东京工业大学的学者合成出Li10GeP2S12，其电导率到达了1.2×10–2S cm–1，这一数值已经可以与有机电解液的离子电导率相比。

硫化物固态电解质的发展

硫化物固体电解质的锂离子电导率与有机液态电解质不相上下，在室温下通常为10-4S/cm-10-2S/cm。这是由于S2-的电负性小于O2-，故S2-对于Li+的束缚能力较小。S2-的半径较大，所以其参与构成的骨架拥有较大的Li+通道，更有利于获得自由移动的Li+。另外，硫还可以与主族元素通过共价键相连，增强锂的稳定性。硫化物固体电解质可分为两大体系，分别为LPS和LGPS。其中，LPS有玻璃态和玻璃陶瓷态，LGPS为晶态。常见的制备方法有熔融法、高能球磨法及液相法等。

2、硫化物全固态电池

硫化物全固态电池的基本结构如图b所示，由固态电解质颗粒取代了商业化锂电的电解液与隔膜，由于离子电导率高且颗粒较软，硫化物电解质在制备成电池时不需要额外的烧结步骤，所以适合采用涂布法生产，其生产工艺与现有的液态电池生产工艺没有很大的差异。但为了改善电池的界面接触，通常需要在涂布后进行多次热压以及添加缓冲层来改善界面接触。

a.传统锂离子电池结构示意图 b.硫化物全固态电池结构示意图

目前硫化物全固态电池的实验室产品循环性能较差，大部分都在100圈以下，界面处理、电池组装工艺以及固态电解质本身都需要进一步优化。并且各大高校及科研单位实验室内的全固态电池在正极活性物质/固态电解质配比，固态电解质层厚度以及电池组装方法上都有较大差异，实验结果参考价值不大。

不久前，中国科学院物理所吴凡团队开发出一款硫化物全固态电池，其使用钴酸锂和三元正极，能从根本上提升锂电池的安全性。该电池具有较高的耐受度，在 6.2mAh/cm2 的高面容量下可以实现25C的高倍率充放电，最高实测面容量可达 16.92mAh/cm2。它还具有超长的循环寿命，在0.7mAh/cm2 的面容量以及20C的高倍率下，这款硫化物全固态电池能够实现30000圈的超长循环，在30C高倍率充放电之下则能实现15000圈的长循环。

吴凡团队表示：“在目前已报道的全固态电池之中，这款电池的面容量、电流密度、倍率和循环性能均是最高值。”未来，这款电池可被用于对于安全性和稳定性有着较高要求的电池储能领域，比如卫星、航天飞机、国防军工、武器装备、巡航导弹、航空飞行器等，也有望用于医疗电池和3C产品等。通过进一步迭代工艺，以及解决全固态电池量产一致性的问题之后，这款电池还有望用于新能源车。通过进一步降低成本，还可用于更大规模的储能。

小结

全固态锂电池的研究距今已有50余年的时间，目前整体仍处于实验室向中试产品发展的阶段，而半固态电池有望率先实现量产。由于安全性优势，全固态电池有望在电动汽车、电网储能、可穿戴设备、军工、航空航天等领域实现大规模应用。硫化物固态电解质因离子电导率优异，是以丰田为首的国内外各机构研究的热点，在2021年的东京奥运会上已有装载硫化物全固态电池的电动汽车被使用，而松下、日立等企业均对外宣称2025年完成硫化物全固态电池的量产。

针对固态电池相关的技术、材料、市场及产业等方面的问题，中国粉体网将在昆山举办第五届高比能固态电池关键材料技术大会。为致力于固态电池技术开发的企业，科研院校，以及电动车、储能、特种应用等终端企业提供信息交流的平台，开展产、学、研合作，共同推动行业发展。届时，中科院物理所博士生导师、中国科学院大学教授吴凡将作题为《全固态电池关键技术研究进展》的报告。报告将重点关注硫化物全固态电池的关键基础科学问题和应用化开发难题，探讨团队在此领域的研发进展。

专家简介：

吴凡，中科院物理所博导；国科大教授；共青团常州市委副书记；中科固能董事长。入选中科院百人计划、《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科创35人”（MIT-TR35-Asia Pacific）、中科协海智计划特聘专家、江苏省杰出青年基金。获全国青年岗位能手（共青团中央）；全国未来储能技术挑战赛一等奖（中央军委）;全国先进储能技术创新挑战赛二等奖（国家工信部）；Wiley中国-开放科学年度作者；江苏青年五四奖章等。任中国能源学会副主任；中国共产党江苏省党代表等。发表SCI论文92篇，申请中国、美国、国际发明专利60余项。

参考来源：

1. Wenlin Yan,Fan Wu,et al.Hard-Carbon-Stabilized Li-Si Anodes for high-performance All-Solid-State Li-ion Batteries.

2. 张卓然等.硫化物全固态电池的研究及应用

3. 秦志光等.硫化物固态电解质在全固态电池中的应用研究进展

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！

本文地址：http://libattery.net/news/details1785.html