Nature子刊綜述：有關鋰電池化學回響中的固態(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際應用起著重要的浸染，包羅電子消費，提供汽車的動力，間歇性可再生能源發(fā)電的牢靠負載等。然而，今朝的貿(mào)易化電池已經(jīng)不能滿意社會快速成長下的需求，好比便攜式電子器件、電動車、網(wǎng)絡儲能系統(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)，縱然其具有高導電性和優(yōu)秀的電極外貌潤濕性，但其電化學機能和熱不變性欠好，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)認識到這些系統(tǒng)所面對的科技問題。

最近，德克薩斯大學的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，本文中提供了一個配景概覽，接頭了儲能應用中的固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)料的范例、離子傳輸機制和基天性質(zhì)。

綜述總覽圖

固態(tài)離子導體成長的汗青最早可以追溯到十八世紀三十年月，其時法拉第加熱固態(tài)Ag2S和PbF2時發(fā)明白明明的導電性。十九世紀六十年月凡是被認為是高導電性固態(tài)電解質(zhì)的轉(zhuǎn)折點和固態(tài)離子學的起點，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質(zhì)料之中。十九世紀八十年月，ZEBRA電池成為利用β-氧化鋁鈉離子導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)被應用在高能低價的水系電化學儲能系統(tǒng)中。

圖1. 固態(tài)電解質(zhì)電池成長的時間歷程

1.固體中的離子傳輸機制

在晶體質(zhì)料中，離子運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缺陷的離子擴散機制包羅簡樸的空位機制和相對巨大的擴散機制，如雙空位機制，間隙機制，曠地代替互換機制和集團機制。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現(xiàn)高的離子導率，這種布局凡是由兩個質(zhì)子和由牢靠的離子和移動的晶格組合的一個晶體框架構成。為實現(xiàn)快速的離子導電，這種布局必需滿意三個根基準則：移動離子占據(jù)可用等價位點的數(shù)量必需大于可移動離子數(shù)量；可用共價位點之間的遷移阻礙能應該低于離子在位點之間遷移的能量；這些可用位點必然要毗連起來形成一個持續(xù)地擴散路徑。雷同于晶體布局中的擴散進程, 玻璃質(zhì)料的離子運輸從原位離子開始，原位離子被領位位點激活，然后在宏觀范疇內(nèi)會合擴散。對大大都玻璃質(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.先進的固態(tài)電解質(zhì)

離子導電性是固態(tài)電解質(zhì)一個重要的機能，可是在電化學儲能和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實際應用中，其他機能也至關重要。固態(tài)電解質(zhì)的主要機能有：高的離子導電性、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、寬的電化學不變窗口、好的化學兼容性、優(yōu)異的熱不變性、優(yōu)異的機器機能、簡樸的制備進程、價值低廉、易整合和情況友好。無論是無機固態(tài)電解質(zhì)照舊有機固態(tài)電解質(zhì)，就提高上述機能的研究已經(jīng)有很大進步。下表列出了一些已經(jīng)報道的固態(tài)電解質(zhì)及其機能，而且以雷達圖的形式展示如下：

表1. 鋰離子固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)料提要