固態(tài)鋰電池電解質(zhì)有哪些系？

固態(tài)鋰電池有概念到產(chǎn)品的產(chǎn)出，直到目前技術(shù)才慢慢成熟，但是離真正的大量商用還有一段距離。固態(tài)鋰電池主要是相對于液態(tài)鋰離子電池在電解質(zhì)形態(tài)上的區(qū)別來說的，即電解液是固態(tài)的，那么固態(tài)鋰電池電解質(zhì)有哪些系呢？

1、固態(tài)鋰電池電解質(zhì)的有機聚合物體系

常規(guī)液態(tài)鋰離子電池使用的電解液和隔膜以有機成分為主，故同樣隸屬有機物的有機聚合物是固體電解質(zhì)基體的自然選擇。有機聚合物國體電解質(zhì)體系包括聚氧化乙烯（PEO）及與其結(jié)構(gòu)有一定相似性的聚合物（聚氧化丙烯、聚偏氯乙烯、聚偏氟乙烯）等。

聚氧化乙烯由于其和鋰負(fù)極的良好兼容性成為有機聚合物固體電解質(zhì)的主流選擇。鑒于聚氧化乙烯本征不含鋰，需要首先摻雜前述鋰鹽；其導(dǎo)鋰機理為醚氧鍵/電負(fù)性較高的其他原子對鋰離子的誘導(dǎo)，及后續(xù)非晶態(tài)區(qū)域富鋰鏈段運動實現(xiàn)鋰離子的近鄰轉(zhuǎn)移，最終效果體現(xiàn)為鋰離子從聚合物層一側(cè)進(jìn)入，另一側(cè)脫出，實現(xiàn)鋰離子的充放電輸運。聚氧化乙烯摻雜鋰鹽后的結(jié)晶度越高其強度越高但鋰離子電導(dǎo)越低，所以無機粒子摻雜，聚合物嫁接、共聚、交聯(lián)改性等降低適度結(jié)晶度的手段也為研究者大量采用。至今，聚氧化乙烯固體電解質(zhì)在稍高溫度條件下的鋰離子電導(dǎo)已可為實用所接受，且其密度較低、界面阻抗較低，易于薄層化及進(jìn)行機械加工。

但是，摻雜鋰鹽后的聚氧化乙烯固體電解質(zhì)耐高電壓能力差，常規(guī)電壓的三元材料即可使其被氧化，使得正極材料選擇受限，很大程度上限制了最終電池的能量密度。另外，聚氧化乙烯強度相對較低，其抗穿刺短路能力相比于其他固體電解質(zhì)體系較弱。

2、固態(tài)鋰電池電解質(zhì)的氧化物體系

氧化物體系的固體電解質(zhì)主要包含鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鋰鋼鈦氧化物（LLTO），石榴石結(jié)構(gòu)的鋰鋼錯氧化物（LLZO），快離子導(dǎo)體（LISICON、NASICON）等，導(dǎo)鋰機制多為材料在微觀層面形成了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鋰離子輸運通道。氧化物固體電解質(zhì)最大的優(yōu)勢即源于無機氧化物本征屬性：機械強度大，理化穩(wěn)定性較高，耐壓能力強，制造復(fù)雜度不高。同時，經(jīng)過部分元素?fù)诫s后，稍高溫度條件下（如800C）氧化物固體電解質(zhì)的鋰離子電導(dǎo)也可為實踐所接受。

氧化物固體電解質(zhì)的不足也源于其無機氧化物本征屬性：對電極-電解質(zhì)界面而言，界面接觸能力差、循環(huán)過程中界面穩(wěn)定性也差，導(dǎo)致循環(huán)過程中界面阻抗提升較快，正負(fù)極有效容量發(fā)揮不足，電池壽命衰減較快；薄層化也較困難。所以，氧化物固體電解質(zhì)多需要添加部分聚合物成分并配合微量離子液體/高性能鋰鹽-電解液，或采用輔助原位聚合等方式制造準(zhǔn)固態(tài)電池，以保留部分安全性優(yōu)勢并改善電解質(zhì)-電極的界面接觸。

3、固態(tài)鋰電池電解質(zhì)的硫化物體系

硫化物體系的固體電解質(zhì)可認(rèn)為是由硫化鋰及錯、磷、硅、鈦、鋁、錫等元素的硫化物組成的多元復(fù)合材料，材料物相同時涵蓋晶態(tài)和非晶態(tài)。硫的離子半徑大，使得鋰離子傳輸通道更大；電負(fù)性也適宜，所以硫化物固體電解質(zhì)在所有固體電解質(zhì)中鋰離子電導(dǎo)最好，其中Li-Ge-

P-S體系在室溫下的鋰離子電導(dǎo)可以和電解液直接相比。另外，硫化物固體電解質(zhì)的機械強度較大，其對高容量硫正極的兼容性最好。

硫化物固體電解質(zhì)的主要缺點包括：硫的電負(fù)性不及氧，使得搭配高電壓正極時電解質(zhì)層部分貧鋰，增大了界面電阻；搭配金屬鋰負(fù)極時生成的SEI 膜阻抗也較大；硫化物為無機非金屬顆粒，循環(huán)過程中也存在相對嚴(yán)重的電解質(zhì)-電極界面劣化問題。另外，材料體系對水、氧等非常敏感，一旦發(fā)生事故同樣易燃；薄層化也困難。這些使得其制造工藝要求非常高。

綜上所述，不同固體電解質(zhì)材料體系性能優(yōu)缺點各有不同，尚未出現(xiàn)綜合性能優(yōu)異的固體電解質(zhì)；跨基本類型的材料復(fù)合與成分、結(jié)構(gòu)的精確控制也許是取得突破的關(guān)鍵。