固体锂离子电池用电解质合成方案之13

固体锂离子电池用电解质解决方案13

Li3N 系列锂陶瓷电解质

Li3N是由德国的一家研究所发现的一种室温电导率较高且对金属锂稳定的锂快离子导体, 其晶体结构属六方晶系，在垂直于C轴方向包含两层：一层是Li2N，另一层是纯Li层。层状的Li3N是二维离子导体，在垂直于C轴方向的室温电导率达10-3S/cm，而平行于C轴方向的离子电导率却很低。实际的Li3N晶体并不完全符合化学计量式，在其Li2N层中大约有1%～2%的锂空位，这些少量的空位对Li3N的Li+导电性具有重要的意义。研究表明，Li2N层中的Li+生成自由能低，升高温度可大幅度增加锂空位数目，受热激发的Li+所作的简谐振动以Li2N层内振动为主，从而形成一个二维导电网络；纯锂层中的Li+虽然排列完全有序，但剩余空间大，同样可以参与导电。

尽管Li3N的室温离子电导率高，但其分解电压低（室温下仅有0.45V），高度的各向异性结构，合成时易产生杂相，对空气敏感尤其是遇水易燃等，这些都限制了其在固态电池中的商业化应用。为改善Li3N的性能，人们对掺杂Li3N的一系列多元体系进行了大量研究。在Li3N中掺入LiX（X=Cl,Br,I）形成Li2-2x N0.5-x X0.5+x共熔体可显著提高其分解电压，从而提高了化学稳定性。在这一系列掺卤化合物中

Li9N2Cl3最为典型，Li9N2Cl3为立方反萤石结构，其晶格中有大约10% 的锂缺陷空位，Li+是主要载流子，室温电导率为2.5×10-6S/cm，并且为三维离子传导，传导性能基本为各向同性，电子电导率相当低。

该化合物对金属锂稳定，分解电压大于2.5V，使得Li9N2Cl3在固态电池中的应用成为可能。另外，在Li9N2Cl3中掺杂其它金属离子形成的Li9-x M x N2Cl3可在不降低其分解电压的同时进一步提高离子电导率，一价离子Na+、K+、Rb+、Cs+取代的Li9-x M x N2Cl3材料随取代离子半径增加，晶体结构变得更加疏松，离子间相互作用减弱，Li+迁移性逐渐提高，在x=0.1时离子电导率可达0.1S/cm （350℃），x>0.1时取代离子可占据空位并降低Li+浓度导致材料的电导率下降。价态较高的离子（Mg2+、Ba2+、Al3+等）取代Li+时可产生多余的空位，同样能够改善材料的导电性能，实验证明，与Li+半径相近的Mg2+最有利于电导率的提高，而价态较高的Al3+由于其离子半径小，所带电荷密度高，对周围原子的束缚力大，不利于离子在传输通道中迁移，对电导率的改善不明显。

Li3N-LiI-LiOH（1∶2∶0.77）体系属立方晶系，室温离子电导率高达0.95×10-3S/cm，电子迁移数<10-5，分解电压大约1.6 V。此外，与Li3N类似的化合物如Li3P、Li3Bi、Li3Sb、Li3As等同样具有较高的Li+迁移性，并对金属锂稳定，如Li3P的室温离子电导率约为

10-4S/cm，相对于锂电极稳定电压达2.2V，在其中掺LiCl后，可进一步提高离子迁移能力。

2Li3Bi·3LiCl烧结物的的离子电导率在100 ℃下约为10-4S/cm，分解电压大于1.5 V。

全固态锂电池的技术研究进展

全固态锂电池的技术研究进展 根据近期流传的技术趋势预测，全固态锂电池，可能在2030年之前实现固态电解质技术突破，单体能量密度超过500Wh/kg的目标，并且达到量产能力。今天关注一下全固态电解质锂电池。 1锂电池的种类 锂电池的分类方法比较多，可以按照正极材料类型划分，负极材料类型划分，电解液类型划分等等，我们常说的三元材料还是磷酸铁锂或者锰酸锂，就是按照正极材料划分的结果。在锂电池当前发展阶段上，锂电池性能上的差异主要表现在正极材料的差异上，因此人们习惯于用正极材料的名称给一个技术路线命名。 今后两年，高镍三元将成为量产可能性最高的一种技术路线，而含镍量的不同，又成了技术路线的名字，622、811，这是镍钴锰在三元正极材料中的占比关系。这仍然是一种针对正极材料差异的提法。 欧阳明高院士最近给出的技术路线预测中，高镍以后，能量密度达到400Wh/kg的希望，很大程度上寄托在全固态电池的身上。固态电池，相对于传统锂电池的液态电解液而言的，电解质为导电率很高的纯固态物质，这是一种针对电解液形态的命名方式。 与固态电池平行的另外两种技术路线应该可以叫做液态电解液锂电池和半固态电解液锂电池。液态电解液锂电池，传统称呼中三元、磷酸铁锂、锰酸锂都属于液态电解液锂电池范围。半固态电解液，电解质是介于固态和液态之间的状态，现在常见的材料是聚合物电解质，在常温下为凝胶态。 2全固态锂电池的优缺点 优点 1）安全性好，电解质无腐蚀，不可燃，也不存在漏液问题； 2）高温稳定性好，可以在60℃-120℃之间工作； 3）有望获得更高的能量密度。固态电解液，力学性能好，有效抑制锂单质直径生长造成

固体电解质

来源：仲恺农业工程学院绿色化工研究所作者:黄金辉等 提要：介绍了聚合物锂离子电池的关键材料聚合物电解质。叙述了聚合物电解质的发展、组成、分类，离子在聚合物中的传导机理以及国内外的研究进展和今后的研究重点及方向。信息、能源和环保是21 世纪人类社会关心的主要课题。二次电池对3 个问题的解决都起着关键作用。锂离子电池是最新型的二次电池，近10年来得到迅速发展。到2008 年，全球锂离子电池的销售额已远远超过镉镍（Ni-Cd）和氢镍电池（Ni-MH）。锂离子电池以其他电池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域，从信息产业（移动电话、PDA、笔记本电脑）到能源交通（电网调峰、电动车辆），从太空（卫星、飞船）到水下（潜艇、水下机器人），锂离子电池在本世纪作为主要的二次电池，进入了人类社会的各个领域，为人类造福。 电解质作为锂离子电池的关键材料影响甚至决定着电池的比能量、寿命、安全性能、充放电性能和高低温性能等多种宏观电化学性质。现在的电解质已经从以前的液态电解发展到固态电解质也就是聚合物电解质。以聚合物电解质取代液态电解质，是锂离子电池发展的一个重大进步，其显著特点就是提高了电池的安全性能，易于加工成膜，可以做成全塑结构，从而可制造超薄和各种形状的电池；能够很好的适应电池冲放电过程中电极的体积变化，同时又有较好的化学和电化学稳定性能。因此在新型高能锂电池及电化学的应用上显示出很大的优越性。 1 聚合物电解质 聚合物电解质也就是高分子电解质，它是由极性聚合物和金属盐络合形成的一类在固态下具有离子导电性的功能高分子材料，实际上就是锂盐的聚合物溶液，广义的说是指具有离子传导性的导电聚合物材料，即在外加电场驱动力作用下，负载电荷的离子定向移动来实现导电过程的聚合物，它的溶剂无论是液体高分子还是固体高分子都具有能够和锂离子配位的基团，而且这些基团与锂离子配位能力越强，锂盐在聚合物中的溶解度就越大，相应的聚合物电解质电性能就越强。 作为各种电池等需要化学能与电能转换场合中的离子导电介质，它在工业和科研工作中的各种电解和电分析过程中有重要的用途，在锂离子电池中它作为锂离子的传输介质必须具备这些条件：工作温度下的电导率较高，一般要大于1 mS/cm，以保证组装成的电池电阻降较低；锂离子迁移数大，以防止产生浓差极化；对电子传输几乎绝缘，因而能够有效地隔离正负电极，以防止电池内部短路；对锂电极的化学和电化学稳定性高，以保证电解质-Li 界面性质稳定性良好；制造成本低廉，以利于市场开发；温和的化学成分，不会污染环境。基于对这种新型电解质的这些特点与要求，许多科研工作者进行了不懈地努力。从最开始的导电聚合物，到有机聚合物再到无机聚合物，再到有机-无机共混聚合物等等，进行了大量的理化性质、常温下的导电率和成膜强度的研究和测试。 电解质的发展到今，已形成了一定的体系，可以分成不同的类型。标准不同其分类也不同，根据导电离子不同，可分为单离子和双离子聚合物电解质；根据聚合形态不同，可分为固体

锂离子电池固态电解质制备及性能研究【开题报告】

开题报告 应用化学 锂离子电池固态电解质制备及性能研究 一、选题的背景与意义 锂无机固态电解质（ion conductor）又称锂快离子导体（super ion conductor），按其晶体结构分为晶态电解质和非晶态电解质。晶态电解质又称导电陶瓷，目前已研究的有钙钛矿（ABO3）型结构锂离子电解质、NASICON型结构锂离子电解质、LISICON型结构锂离子电解质等；非晶态电解质又称玻璃态电解质，目前已研究的有氧化物玻璃态锂离子电解质、硫化物玻璃态锂离子电解质等[1-5]。其导电机制是，锂无机固态电解质具有载流子，在导电过程中伴随着Li+的迁移，并且导电能力跟温度有密切关系。图1.列举了部分重要的晶态和非晶态无机固态电解质的离子电导率[3]。 图1. 部分重要的晶态和非晶态无机固态电解质的离子电导率的Arrhenius曲线Fig. 1. Arrhenius plot of ionic conductivity of important crystalline and amorphous inorganic solid lithium ion conductor. NaA(PO)(A =Ge, Ti and Zr)发现于1968年。这个结构被描述成AO6 NASICON晶体结构IV 243 正八面体和PO4正四面体组成的共价键结构[A2P3O12]-,形成3D相互联系通道和两种分布导电离子间隙位置（M·和M··）。导电离子越过瓶颈从一个位置移动到另一个位置，瓶颈的大小取决于两种间隙位置（M·和M··）的骨架离子性质和载体浓度。结果是，NASICON类型化合物的结构和电化学性质随着骨架组成的不同而变化。比如，在化学通式为LiA’IV2-x A’’IV x(PO4)3的化合物，晶胞参数a 和 LiGe(PO)。通过三价阳离子(Al, Cr, Ga, Fe, c取决于A’IV和A’’IV阳离子大小。已获得的最小晶胞是 243 Sc, In, Lu, Y, La)取代八面体中的Ti4+位置，可以提高陶瓷的烧结性能，降低晶粒边界电阻，提高材

锂离子电池固态聚合物电解质研究进展(英文)

邵 将等：纺织陶瓷基复合材料力学性能研究进展· 123 · 第35卷第1期 锂离子电池固态聚合物电解质研究进展 唐子龙1，胡林峰1，张中太1，粟付芃2 (1. 清华大学材料科学与工程系，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 100084； 2. 北京城建天宁耐火有限责任公司，北京 100053) 摘要：电解质是制备高功率密度和高能量密度、长循环寿命的锂离子电池的重要材料之一，而聚合物电解质是实现全固态锂离子电池的关键技术。总结近几年来为提高聚合物电解质电导率所作研究的新进展，并提出了今后的研究方向。 关键词：固态聚合物电解质；离子电导率；锂离子二次电池 中图分类号：TQ172 文献标识码：A 文章编号：0454–5648(2007)01–0123–06 RESEARCH PROGRESS OF SOILD POLYMER ELECTROLYTES FOR LITHIUM ION BATTERIES TANG Zilong1，HU Linfeng1，ZHANG Zhongtai1，SU Fupeng2 (1. State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084; 2. Beijing Urban Construction Tianning Fire Protection Co., LTD., Beijing 100053, China) Abstract: Electrolytes are a key material for developing lithium ion batteries with high power and energy density and a long life cycle. Polymer electrolytes are one of the most important materials used in solid state lithium ion batteries. This paper presents a review of new progress in recent years in research to enhance the ionic conductivity of polymer electrolytes. The trend of this development is also reviewed. Key words: soild polymer electrolyte; ionic conductivity; lithium secondary battery Since the lithium secondary battery was first pro-duced by the Sony Corporation in 1990, Lithium secon-dary batteries have rapidly taken over the whole market in high performance rechargeable batteries.[1] Lithium ion secondary batteries are widely used in the electronic prod-ucts, such as mobile telephones, notebook personal com-puters (PCs), and digital cameras. Lithium ion batteries, which have high energy density and safe performance, also have excellent prospects for application in the fields of electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), aviation technology and high energy storage apparatuses.[2] Compared with other batteries, lithium ion batter-ies have many advantages, such as high discharge volt-age and energy density, good cyclability and no envi-ronment pollution. A schematic diagram of a lithium secondary battery is shown in Fig.1. As the public’s awareness of environmental protection has awakened, research on new green lithium batteries has grown. Electrolytes are the key component for lithium ion bat-teries. However, the application of liquid electrolytes is limited by unsatisfactory safety and cyclability and bad thermodynamic stability. In general, solid polymer elec-trolytes (SPEs) have the advantages such as no leakage of electrolytes, low density, safety, and ease of production. There has been increasing interest in the development of polymer electrolytes in recent years, which indicates the development direction of lithium battery electrolytes. Since Fenton et al. [3] found that the complex of polyenthylene oxide (PEO) and alkaline salts had the property of ionic conductivity in 1973, there has been much research on solid-state lithium-ion electrolytes. In 1979, Armand reported that PEO-LiX based electrolyte had a high ionic conductivity of 10–5 S/cm at temperatures between 40℃ to 60℃. [4] Moreover, it was easy to be prepared as a film, this aroused a worldwide interest in polymer electrolytes(PEs). PEs should have the following 收稿日期：2006–04–28。修改稿收到日期：2006–09–25。 基金项目：国家自然科学基金(50472005，50372033)；清华大学基础研究基金(JC2003040)资助项目。 第一作者：唐子龙(1966～)，男，副教授。Received date:2006–04–28. Approved date: 2006–09–25. First author: TANG Zilong (1966—), male, associate professor. E-mail: tzl@https://www.wendangku.net/doc/0813186488.html, 第35卷第1期2007年1月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 35，No. 1 January，2007

【CN110085909A】一种复合固体电解质材料及其制备方法和应用【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910367824.5 (22)申请日 2019.05.05 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南 路932号 (72)发明人 刘晋　李梅　 (74)专利代理机构 长沙市融智专利事务所(普 通合伙) 43114 代理人 张伟　魏娟 (51)Int.Cl. H01M 10/0562(2010.01) H01M 10/0565(2010.01) H01M 10/0525(2010.01) (54)发明名称 一种复合固体电解质材料及其制备方法和 应用 (57)摘要 本发明公开了一种复合固体电解质材料及 其制备方法和应用。复合固体电解质材料由导离 子聚合物、金属-有机框架材料、碱金属或碱土金 属盐组成，其中金属-有机框架材料包括MOF - 235、MIL -68、MIL -88、MIL -96等系列，这些金属- 有机框架材料具有特殊的拓扑结构，加入固体电 解质材料能有效降低聚合物电解质的结晶性，促 进碱金属或碱土金属盐的解离，得到的复合固体 电解质在宽温度范围(25～120℃)具有良好的离 子传导性能和电化学稳定性，同时具有柔韧性 好、可薄膜化等优点，其制备方法操作简单、可规 模化生产。该复合固体电解质可与不同类型的正 极材料、碱金属或碱土金属负极匹配，组装的全 固态电池可在上述温度表现出良好的电化学性 能。权利要求书2页 说明书6页 附图1页CN 110085909 A 2019.08.02 C N 110085909 A

固体电解质材料

固体电解质材料 第一节银、铜离子导体 银、铜离子导体是固体电解质材料中研究最早的一部分，对它们的研究促进了固体电解质学科的发展。 最典型的是AgI晶体., 其146℃时转变成α相（146℃-555℃），电导率提高了三个数量级，达到1.3 Ω-1cm-1。 研究发现，一系列银和铜的卤化物和硫属化合物如：CuBr、CuI、Ag2S、Ag2Se和Ag2Te等都有这种离子导电性。 自1961年合成出了第一个室温快离子导体Ag3SI以来，1967年发现了RbAg4I5，它在室温的电导率为0.27Ω-1cm-1，是至今为止，室温电导率最高的银离子固体电解质。 银离子导体的化学稳定性较差，且价格高。铜离子导体和银离子导体性质相近，但价格便宜。如：RbCu4Cl3I2和 Rb4Cu16Cl13I7是目前室温电导率最高的固体电解质材料。 银、铜离子导体的晶体结构已在第一章中介绍过。它们分别是体心立方和面心立方结构。 根据这样的结构的特点，可以在α-AgI结构的基础上进行离子置换得到许多类似结构的银铜离子导体（用其他离子置换碘化银中的部分离子，使α-AgI 的高温导电相结构能够稳定到室温）。 一、α-AgI的离子置换 1、阴离子置换： 用S2-、P2O74-（焦磷酸根离子）、PO43-、AsO43-、VO43-、Cr2O72-、CrO42-、WO42-、Mo2O72-、MoO42-、SeO42-、TeO42-和SO42-等阴离子（银盐）都可以置换α-AgI中的一部分I - 离子，得到室温下具有高离子导电率的固体电解质。它们的室温电导率比室温下的 AgI大104倍。

a、α-Ag2S本身也是体心立方结构，只是晶格内银离子有4个，且电子电导较大。 Ag3SI是AgI和Ag2S的二元系中分子比 1：1的化合物。 具有与α-AgI相类似的结构。银离子电导率在25℃时为0.01Ω-1cm-1，电子电导率为10-8Ω-1cm-1，电子电导率的大小取决于样品制备过程中硫的活度，硫的活度越大，电子电导率就越低。所以Ag3SI材料的合成时，需要在一定的硫蒸气压下进行。 Ag3SI在800℃以前不分解，是一个中温固体电解质。 b、Ag3PO4-AgI 系统中存在三个中间化合物，其中两个不是离子导体，只有 Ag7I4PO4 是低温离子导体，它是由 AgI和 Ag3PO4在400℃直接合成的。常温的离子电导率0.019Ω-1cm-1。T > 79会慢慢分解成AgI和Ag5I2PO4。 c、Ag4P2O7- AgI系统中存在四个中间化合物，其中，AgI占93mol%左右的组成电导率最高；40mol%的组成电导率降低。 Ag19I15P2O7是一个低温离子导体，25℃时0.09Ω-1cm-1。147℃时分解成 AgI和Ag16I12P2O7（在147-274℃具有高的电导率）。 d、Ag2SO4-AgI系统：Ag2SO4与AgI、AgBr、AgCl三个系统中，只有Ag2SO4-AgI系统中存在高电导的室温固体电解质。它是硫酸银组分在0-25mol%范围内生成的固溶体。急冷得到的室温相（不稳定，须在-20℃保存，否则会析出γ-AgI，降低电导率），室温电导率高达0.05Ω-1cm-1。 其他含氧酸银和碘化银系统合成的化合物电导率要低一个数量级。 2、阳离子置换 将Rb+和K+等碱金属离子、NH4+ 或各种有机铵离子、锍或硒的有

全固态锂离子电池的研究进展

全固态锂离子电池的研究进展 杨玉梅/文 【摘要】全固态锂离子电池因其容量更大、质量更轻、安全性能更高而受到广泛关注。全固态锂离子电池技术开发的难点和重点在于固态电解质，要解决的首要问题是提高电导率，这也是全固态锂离子电池迄今还没有能够大规模应用的主要原因。本文将介绍近年来全固态锂离子电池的一些研究情况。 【关键词】锂离子电池；全固态；研究进展 锂离子电池因其能量密度高、寿命长等优异的性能，自1991年投入市场以来一直备受瞩目，已成为21世纪能源经济中一个不可或缺的组成部分。 不过锂离子电池在汽车、储能等大型电池领域的应用中还存在一些亟待解 决的问题，比如安全问题。 锂离子电池的有机电解液易挥发易 燃易爆，是导致锂离子电池安全问题的 主要元素。[1] 全固态锂离子电池从根源上解决了 这一问题，并且还有容量大、质量轻等 优点，研究可实现产业化的全固态锂离 子电池迫在眉睫。 全固态锂电池是相对液态锂电池而言，是指结构中不含液体，所有材料都以固态形式存在的储能器件。具体来说，它由正极材料+负极材料和电解质组成，而液态锂电池则由正极材料+负极材料+电解液和隔膜组成。 作为全固态锂离子电池的核心组成 部分——锂离子固体电解质材料，是 实现其高性能的核心材料，也是影响其 实用化的瓶颈之一。固体电解质的发展 历史已经超过一百年，被研究的固体电 解质材料有几百种，而固体电解质只有 在室温或不太高的温度下的电导率大于 10-3S/cm才有可能应用于电化学电源 体系，而绝大多数材料的电导率值要比 该值低几个数量级，这就使具有实际应 用价值的固体电解质材料很少。[2] 1.全固态锂离子电池概述 2.固态电解质研究进展 电解质作为电池中一个至关重要的组成部分，其性能很大程度上决定了电池的功率密度、循环稳定性、安全性能、 高低温性能和使用寿命。评判电解质的 指标一般有： （1）离子导电率：离子导电率会 中国粉体工业 2018 No.4 22

新型锂离子固体电解质正式版.doc

摘要 近年来，无机氧化物固体电解质以其安全性，较高的离子电导率吸引许多研究者的兴趣。本论文介绍了近年固体电解质的研究进展，本实验方法选用多数无机氧化物固体电解质的合成方法—传统固相合成法，在空气环境条件下合成Li2O-ZrO2-SiO2体系的无机固体电解质，通过X射线衍射鉴定从980℃到1060℃（每隔20℃）不同烧结温度下本体系无机固体电解质多晶态物相，应用电化学工作站测定AC阻抗，计算不同烧结温度下离子电导率，还测试了电解质片的收缩率，并采用阿基米德排水法测试固体电解质片的密度。阻抗结果显示这种材料在1000℃的烧结温度下，显示了最大的锂离子电导率2.6651×10-3Ω-1cm，收缩率和密度有较好的一致性，烧结温度在1020℃后密度稍微有些降低。比较其他无机氧化物电解质，本体系烧结温度较低，同时获得了较高的锂离子电导率，丰富了无机氧化物电解质体系。 关键词：固体电解质；LZSO（Li2O-ZrO2-SiO2）；锂离子电导率

Abstaract In recent years, inorganic oxide solid electrolyte has attracted many researchers interests for its safety, high ionic conductivity. This paper describes research progress of solid electrolytes in recent years, most of the experimental method used in the synthesis of inorganic oxide solid electrolyte method - traditional solid-state synthesis, synthesis in air condition system Li2O-ZrO2-SiO2 inorganic solid electrolyte, by using the X-ray diffraction identified from the 980 ℃to 1060 ℃ (every 20 ℃) under different sintering temperature of the system of multi-crystalline inorganic solid electrolyte , AC impedance measured in air at room temperature by electrochemical work-station , calculated in different sintering temperature lithium ion conductivity, also tested shrinkage ratio of the solid electrolyte pellets, and measured bulk density of solid electrolyte pellets using Archimedes method. Impedance results showed that the material in the sintering temperature of 1000 ℃, showed the largest lithium-ion conductivity 2.6651×10-3Ω-1cm, the shrinkage ratio and bulk density are in good agreement, after 1020 ℃sintering temperature slightly lower density. Compared with other inorganic oxide electrolyte sintering temperature of the system is lower, while access to a high lithium ion conductivity and enriched inorganic oxide electrolyte system. Keywords：solid electrolyte；Li2O-ZrO2-SiO2 ；lithium ion conductivity

锂离子电池的电解质

锂离子电池的电解质 目前使用和研究的电解质包括液态有机电解质?凝胶型聚合物电解质和全固态电解质?而商品化的锂离子电池多数使用液态有机电解质和凝胶型聚合物电解质?有机电解液是由有机溶剂和电解质锂盐组成的非水液体电解质?用于锂离子电池体系的液态有机电解质应满足以下要求: (1)锂离子电导率高,在较宽的温度范围内电导率在3×10-3～2×10-2S/cm; (2)电化学窗口宽,即在较宽的电压范围内稳定(对于锂离子电池而言,要稳定在4.5V)而不发生分解反应,即具有良好的氧化稳定性; (3)化学稳定性强,即与电池体系的电极材料如正极?负极?集流体?隔膜?胶黏剂等基本不发生反应; (4)在较宽的温度范围内保证成液态,一般温度范围为-40～ +70℃; (5)对离子具有较好的溶剂化性能; (6)没有毒性,蒸气压低,使用安全; (7)能尽量促进电极可逆反应的进行,与电极之间有良好的相容性;

(8)制备容易,成本低? （一）液体电解质 电解质的选用对锂离子电池的性能影响非常大,它必须是化学稳定性好尤其是在较高的电位下和较高温度环境中不易发生分解,具有较高的离子导电率( >10-3S/cm),而且正?负极材料必须是惰性的?不能腐蚀电极?由于锂离子电池充放电电位较高而且阳极材料嵌有化学活性较大的锂,所以电解质必须采用有机化合物而不能含有水?但有机物离子导电率都不好,所以要在有机溶剂中加入可溶解的导电盐以提高离子导电率? 目前锂离子电池主要是用液态电解质,其溶剂为无水有机物,如EC(ethylcarbonate)?PC(propylenecarbon-ate)? DMC(dimethylcarbonate)?DEC(diethylcarbonate),多数采用混合溶剂,如EC2DMC和PC2DMC等? 导电盐有LiClO4?LiPF6?LiBF6?LiAsF6和LiOSO2CF3,它们导电率大小依次为LiAsF6>LiPF6>LiClO4>LiBF6>LiOSO2CF3?LiClO4因具有较高的氧化性容易出现爆炸等安全性问题,一般只局限于实验研究中;LiAsF6离子导电率较高易纯化且稳定性较好,但含有有毒的As,使用受到限制;LiBF6化学及热稳定性不好且导电率不高;LiOSO2CF3导电率差且对电极有腐蚀作用,较少使用;虽然LiPF6会发生分解反应,但具有较高的离子导电率,因此目前锂离子电池基本上是使用LiPF6?目

锂电池固态电解质的应用和研究进展

目录 第一章锂电池的历史 (5) 1.1 早期的锂电池 (5) 1.2 电化学插层锂电池 (5) 1.3 干燥聚合物电解质锂电池 (7) 第二章锂电池的现状与发展 (8) 第三章锂电池的结构和固态电解质 (9) 3.1 正极材料 (9) 3.2 负极材料 (12) 3.3 聚合物和液体电解质 (14) 3.4 电极-电解液界面 (16) 3.5 固态电解质 (17) 结论 (20) 致谢 (21) 参考文献 (22)

锂电池固态电解质的应用和研究进展 摘要人们对便携式电子设备日益增长的需求推动了可再充电固态电池技术的发展。我们选择了锂离子电池系统，因为它能提供高能量密度，灵活和轻便的设计，并且寿命比同类电池技术更长。我们简要介绍了锂基可再充电电池的发展情况，重点陈诉了目前的研究策略，并讨论了这些电源系统的综合理论，表征，电化学性能和安全性方面所面临的挑战。 关键词：锂电池固态电解质

引 言 充电式锂离子电池作为便携设备，娱乐设备，计算设备和通讯设备的关键部件，为当今信息、流动社会所必需。尽管全世界的电池销量在急剧的增长，但电池技术的基础理论却是发展缓慢，严重滞后。现有的这些电池技术理论（例如镍—镉、镍—金属氢化物或锂离子）的发展远远不能满足人们对高性能电池的需求。当然，储能技术的进步是不能与计算机工业发展的速度相提并论的（穆尔定律预测每两年内存容量增加了一倍）（图1）。虽说如此，然而过去的十几年中，电化学方面还是取得了一定的进展，出现了MeH –Ni 和锂离子电池的新兴技术。目前这些电池技术正在逐步取代大家所熟知的镍镉电池。 锂离子电池用电解质材料从其形态上讲主要有电解液（液态）、凝胶电解质（半固态）和固态电解质三种类型，电解质材料从技术发展方向上看大体存在着“液态→固态”的发展规律，但也不绝对。采用有机电解液的传统锂离子电池，因有过度充电、内部短路等异常时可能导致电解液发热，有自燃或甚至爆炸的危险。而将有机电解液代之以固态电解质的全固态电池，其安全性可大幅提高。在理想状态下，固态时锂的扩散速度（离子传导率）较液体电解液时高，理论上其可实现更高的输出。固态电解质及全固态锂离子电池是锂离子电池技术发展的一个重要方向。在理论上，由于不使用液态电解液，全固态锂离子电池具备可提高安全性及耐久性，可简化外壳，可通过卷对卷方式制造大面积的电池单元，可通过层叠多个电极、并使其在电池单元内串联以制造出V 12及V 24的大电压电池单元（传统的有机电解液，当电池电压接近V 4时电解液就开始分解，因此很难提高池的电压上限）等前所未有的特性，受到极大关注。 图1

YSZ包覆YDC纳米晶复合固体电解质的制备

Z J Q包覆Z X5纳米晶复合固体电解质的制备! 甄"强(!)!严"凯(!陈瑞芳(!李"榕(!李"淼( !(+上海大学材料科学与工程学院"上海)..,,,#)+上海大学纳米科学与技术研究中心"上海)..,,,$ 摘"要!"研究了Z J Q包覆Z X5纳米晶复合固体电 解质的制备工艺"首先!以分析纯的5H#$’ *$ * % /G)’和Z#$’*$*%/G)’为原料!采用沉淀法制备了分散性较好的Z X5纳米粉体!然后将其均匀分散于 含有分析纯的Q>’5E )%C G )’ &Z#$’ * $ * %/G )’ 的醇 水溶液中!采用溶胶凝胶法制备了Q>’ )#Z )’* $包覆 5H’)#Z)’*$复合纳米粉体"S O X&1T%&_O分析结 果表明经/..@焙烧后的5H’ )#Z)’*复合纳米粉体为 单一萤石相!晶粒尺寸为(-&=左右且分散性良好’成功合成了的Z J Q包覆Z X5复合纳米粉体!其中反应温度在4-@时粉体的包覆性及其分散性较好"以合成的包覆型纳米粉体为原料!通过常压烧结制备了包覆型Z J Q(Z X5复合固体电解质"研究表明!在相同保温时间内#)8$!随着烧结温度从C..@提高到(*-.@!试样相对密度从-)F迅速增加2-F以上"当烧结条件为从室温升温到(*..@!迅速降温到()-.@保温)8后!烧结体的相对密度可达2-F以上!平均晶粒度为(..&=左右" 关键词!"钇稳定氧化锆"钇掺杂氧化铈"包覆"常压烧结"纳米晶"固体电解质 中图分类号!"1%2((文献标识码!3文章编号!(..(#24*(#)..4$.*#.,,(#.- ("引"言 固体氧化物燃料电池!J’R5$因高效"无污染"对燃料适应性强等优点而受到普遍关注"而氧离子固体电解质以其较高的离子导电性用于J’R5中备受青睐%目前"达到最新发展水平的固体氧化物燃料电池常用的电解质陶瓷材料是钇稳定的氧化锆!Z J Q$%然而传统的Z J Q材料仅在高温!(...@$才具有较高的离子电导率"燃料电池在过高的温度下运行将引发一系列的问题"如电极&电解质界面反应’阳极烧结等(("))%如果J’R5的工作温度降至C..@"其寿命可望延长*倍"且大大降低制作和材料的成本(*",)"困此迫切需要开发在中低温范围内具有较高的离子电导率的电解质材料以降低电池的工作温度%实验研究表明"降低J’R5工作温度的关键在于找到低温下离子电导率高’电阻小的电解质材料%目前"掺杂的5H’ ) 被认为是适合于作中低温J’R5的电解质(-)%人们在寻找这类材料的过程中发现"稀土!J=’]P’Z$氧化物掺杂的5H基氧化物在较低的温度下具有比其它材料都要高的电导率(/!(.)%但5H’ ) 在高温低氧分压条件 下会发生还原反应"并产生电子导电#而Q>’ ) 基快离子导体具有优良的化学稳定性和高温强度%按照优势 互补的材料设计原则"本文制备了Q>’ ) !Z )’* $包覆5H’)!Z)’*$固体电解质"以弥补5H’)基氧离子导体在高温低氧条件下不稳定的不足"并使之具有更高的离子电导率’强度’韧性和抗热震性能’更低的工作温度"更宽的工作氧分压范围"该材料有望在汽车尾气’大气环境监测’燃料电池’冶金等更广阔的领域里得到应用% 另一方面"国内外研究表明当固体电解质材料的晶粒尺寸达到纳米级时"不仅可以显著提高陶瓷材料的断裂韧性和抗热震性能"更重要的是可以大大降低固体电解质的工作温度((("())"因此"纳米晶包覆型Z X5&Z J Q固体电解质将是一种很有前途的固体电解质材料%制备致密纳米晶包覆型Z X5&Z J Q复合材料的基础是获得晶粒细小’分散性好’烧结性能好的包覆型Z X5&Z J Q纳米粉体%本文在醇水溶液中制备出了包覆型Z X5&Z J Q复合纳米粉体"并且通过常压烧结法制备了纳米晶的包覆型Z X5&Z J Q固体电解质% )"实"验 )+("试样制备 采用乙醇为分散剂和保护剂"用反向沉淀法制备Z)’*掺杂5H’)!Z X5$复合纳米粉末%首先"将分析 纯的5H!$’ * $ * */G )’ ’Z!$’ * $ * */G )’ 按摩尔比为C f)的比例称量溶入乙醇中"配制成总的金属离子!5H*7’Z*7$浓度为.+)-=6E&!的混合溶液%在室温条件下"将上述混合溶液以(.=E&="&的速度滴定到 预先配制好的)=6E&!的$G * *G )’ 酒精溶液!溶液 中加入适量的G )’) $中"同时用机械搅拌器搅拌"得到棕红色沉淀"洗涤后的胶体真空抽滤以尽可能除去多余的水分"胶体在烘箱内干燥后"在一定温度下于马弗炉中煅烧"最后得到Z X5复合纳米粉体% +!Q>’5E)*C G)’$f+!Z!$’*$**/G)’$? ( , , 甄"强等+Z J Q包覆Z X5纳米晶复合固体电解质的制备 !基金项目!国家自然科学基金资助项目!).(.(../$#上海市纳米专项基金资助项目!.,-)&=.4*$#上海市教委资助项目!.,3[).$ 收到初稿日期!)../#.2#(2收到修改稿日期!)../#((#(/通讯作者!甄"强 作者简介!甄"强"!(2/40$"男"河北石家庄人"博士"副教授"主要从事纳米功能陶瓷和固体电解质材料研究%万方数据

锂固体电池无机电解质的分类

锂固体电池用无机电解质的分类 锂离子固体电池的安全性高，寿命更比普通液体锂离子电池长，制造工艺比普通锂电池简单一些。体积相对仅仅是普通锂离子电池的三分之一。但是目前它的弱点是高倍率放电性能差，低温性能不好。 无机电解质分类 无机电解质可进一步分成为硫化物和氧化物两类。目前进展最快 的是硫化物类固态电解质，不断有与电解液性能相当，离子电导率 达10-3S/cm的材料开发出来。硫化物类固态电解质在常温下具有超过10-3S/cm的离子传导率，作为电解质的话具备良好的特性。另外，与氧化物相比，还具有可在常温下均匀形成活性物质与硫化物类固态电解质间的界面，降低界面阻力的特点。虽然其原理还有待科学验证，但估计是因为硫化物是比较软的物质。 第一离子传导率高，第二可轻松形成与活性物质间的界面，可以 说这两点对全固态电池的电解质来说是非常重要的要素。另外，在高 容量的新一代电池的研究基础上采用比容量高的硫磺(S)及硫化锂(Li2S)时，硫化物类固态电解质也具有很好的亲和性。其中具有代表性的例子为Li2S-P2S5类与硫化结晶锂超离子导体(thio-LISICON)类电解质。Li2S-P2S5类材料方面，已开发出了离子电导率高达3～5×10-3S/cm的材料，使用这种材料的固态电池的试制品也纷纷出笼。而与硫化结晶锂超离子导体结构相似的材料具有较高的离子电导率已是众所周知，其中最适合电池的材料也在探索之中。

硫化物固态电解质的另一个优点，是因为使用了与下一代正极材料相同的硫(S)化物，造成优异的匹配。东京工业大学的菅野表示，如果能开发出离子电导率达约10-2S/cm的固态电解质，则会加速下一代电池的研究。 然而，还有需要解决的问题。首先是所有固态电解质共同的问题：电极活性物质和固态电解质间界面的高电阻。且硫化物和水发生反应会产生硫化氢(H2S)，这意味着从生产电解质到组装电池的整个制程，都需要对湿度的控制措施。 而氧化物类方面，目前已有离子导电率达到低于硫化物的 10-3S/cm的氧化物类电解质面世。只是，具备这种特性的氧化物类为结晶构造，存在其晶界电阻(grain boundary resistance)会降低性能的问题。即使如此，因在制造上氧化物要比硫化物更容易处理，性能与硫化物相当的氧化物类电解质的开发还是受到了关注。 密切地关注全固态锂离子电池，是因为其较高的安全性以及较宽的电位窗，有望大大推动电池的发展。然而，采用固态电解质的全固态电池仍然存有不少问题。让我们追随着开发全固态电池的企业、大学和研究机构的脚步，探索固态电池通向实用化之路。

锂离子电池固态电解质

锂离子电池使用固态电解质是大势所趋 锂离子电池市场的快速增长直接带动了电解液材料产业的大发展。池能电子的不完全统计显示，全球2011 年全年共销售锂电池电解液材料3.08 万吨，2012 年迅速上升到4.41 万吨，市场增幅高达43.18%，略微好于池能电子当初的预期。 中国电解液企业（这里仅指大陆地区）2012 年共销售电解液2.28 万吨，较2011 年的1.50 万吨增加了48.70%；同时，中国企业2012 年的全球市场份额，也由2011 年的48.70%上升到51.70%，首次突破一半。 中国企业市场份额快速增长的最大法宝是售价不仅很低，而且还在持续降低。2012 年中国企业电解液平均售价仅在7～8 万元/吨左右，明显低于国外企业，也较自身2011 年9万元/吨的平均售价有了20%以上的降幅。中国企业电解液产品售价的快速下降，既有主观方面的原因，也有客观方面的原因。

日本企业2012 年共销售电解液1.01 万吨，较2011 年的1.03 万吨继续下降。同时，与全球43.18%的增幅相比，也呈现出快速下滑势头。日本电解液企业2012 年的全球市场份额为22.90%，较2011 年的33.44%下滑了10 个百分点以上。目前，日本企业普遍采取的挽救措施是：（1）将3C 电子产品用小型锂离子电池电解液产能陆续前往中国，配合日本锂离子电池企业相关产能的转移，同时降低制造成本；（2）本土工厂产能升级换代，主攻动力锂离子电池电解液市场。 韩国企业2012 年共销售电解液0.9 万吨，较2011 年的0.45 万吨翻了一倍，而其占全球的市场份额也由2011 年的14.61%提升到了2012 年的20.41%。LG 化学（LG Chemical，为LG 集团旗下企业）是全球最大的动力锂离子电池电解液企业，共生产2,600 吨动力电池电解液，全部自用。 针对全球主要电解液企业如三菱化学、韩国旭成、国泰华荣、新宙邦、东莞杉杉、天津金牛等的市场发展情况，以及高速成长的动力锂离子电池电解液市场的发展情况，池能电子在本期月度报告里均有较为详细的研究分析，具体请参阅完整版月度报告。 至于全球锂离子电池电解液市场的发展趋势，池能电子曾在2012 年04 月份的时候做过一个预测。从2012 年的市场发展情况来看，池能电子的预测较为准确。池能电子预计到2015年，全球电解液材料市场规模将达到15.93 万吨，是2011 年的5.17 倍，年均复合增长率为50.81%。与负极材料市场一样，中国的电解液材料市场需求也要发展得更快一些。预计到2015 年市场规模将达到5.78 万吨，年均复合增长率为66.62%。相对应，中国市场份额的全球占比也在持续提高，由2011 年的24.35%提升到2015 年的36.28%。

【文献综述】锂离子电池固态电解质制备及性能研究

文献综述 化学 锂离子电池固态电解质制备及性能研究 锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、功率密度高、循环寿命长、自放电率低、可快速充放电、无记忆效应、绿色环保无污染等绝对优点，是当今国际公认的理想化学电源，广泛应用于电子产品、交通工具、军事领域和储能方面[1-3]。目前国内外锂离子二次电池大部分采用的是液态电解质，在生产使用过程中常常遇到一些问题：电解液生产过程中对水分要求十分严格，在电池生产装配过程中对空气湿度也有十分苛刻的要求[4]；液态有机电解质可能泄露，部分电解质还对集流体有腐蚀作用，极大限制了锂离子电池向薄层化、小型化的发展趋势；在过高的温度下发生爆炸从而造成安全事故，无法应用在一些对安全性要求高的场合；此外，液态电解质锂离子电池普遍存在循环容量衰减问题，使用一段时间后由于电极活性物质在电解质中的溶解、反应而部分失效。而全固态电池安全性高、基本没有循环容量衰减，固体电解质还起到了隔膜的作用，简化了电池的结构，可以向薄层化和小型化发展；此外，由于无需隔绝空气，也简化了生产过程中对设备的要求，电池的外形设计也更加方便、灵活[1-2, 5]。 全固态锂离子电池分两种[2, 6-10]，一种是使用聚合物凝胶电解质；另一种是采用无机固态电解质。聚合物锂离子电解质体系已开展的研究众多，按聚合物主体来分，主要有以下几类：聚醚系（主要为聚氧化乙烯，PEO）、聚丙烯腈（PAN）系、聚甲基丙烯酸酯（PMMA）系、聚偏氟乙烯（PVDF）系和其他类型。尽管聚合物电解质的发展和应用，可以明显克服液态锂离子电池的一些缺点，避免电解液漏液，容易薄层化和小型化，但是仍存在一些问题亟待解决：比如常温下电导率偏低，与电极相容性差，机械强度仍有待提高。此外，聚合物电解质制备工艺复杂、原料价格高导致聚合物电解质价格昂贵。聚合物电解质可通过共聚、交联、形成微孔体系、纳米复合、添加增塑剂等来进行性能改进。未来聚合物电解质的可能朝着两个方向发展：a)交联短链形成网状凝胶结构，增加导电性；b)添加粉末陶瓷，形成有机-无机复合结构，增加机械强度[2, 9-10]。 相对于凝胶聚合物电解质而言，无机固态电解质采用的是无机原料，来源广泛，成本低；热力学稳定性大大改善、机械强度也比聚合物电解质要好很多；能大电流充放电，使用安全性能高；不再使用制备工艺复杂的电解质锂盐诸如LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6等，制备工艺要求与前两种电解质相比，其制备工艺要求简单；电解质可薄层化，同时起到隔膜的作用，极大的简化了电池的结构和工艺。 锂无机固态电解质（ion conductor）又称锂快离子导体（super ion conductor），按其晶体结构分为晶态电解质和非晶态电解质。晶态电解质又称导电陶瓷，目前已研究的有钙钛矿（ABO3）型结构