锂离子电池基础科学问题(X)——全固态锂离子电池

方 面 进 行 了小 结 。
关键词 ：储 能；全 固态锂 离子电池； 固体 电解质； 高通 量计 算；界面
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ － ４ ２ ３ ９ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ４ ． ０ １ ２
中图分类号 ：Ｏ ６ ４ ６ ． ２ １
体 电解 质 在 低 温 下 发 生 液 固转 化 ，离 子 电导 率 显 起 因与 锂 离 子 电池 中采用 可 燃 的有 机 溶 剂 有关 。 虽 著 下 降 ， 导 致温 度 降 低 时 （ 一 ２ ０ ℃ 以 下 ） 电池 内 然通 过 添 加 阻燃 剂 、采 用 耐 高温 陶瓷 隔膜 、正 负 极 阻显 著 增 大 ，无 法 满 足 低 温 应 用 要 求 。 当 电池 外 材 料 表 面 修饰 、优 化 电池 结 构 设计 、优化 Ｂ ＭＳ 、
（ ５ １ ３ ２ ５ ２ ０ ６ ）项 目。
池 。液态 电解 质 的锂盐 溶 于有 机 溶液 中，并 包含 多 种 功 能添 加剂 。锂盐 为 Ｌ ｉ Ｐ Ｆ ６ 、Ｌ ｉ Ｆ Ｓ Ｉ 等 ；有 机溶 剂
为环状 碳 酸酯 （ Ｅ Ｃ、 Ｐ Ｃ） 、 链状 碳 酸 酯 （ Ｄ Ｅ Ｃ、 Ｄ ＭＣ、 Ｅ Ｄ Ｃ） 、羧 酸 酯类 （ ＭＦ 、ＭＡ、Ｅ Ａ、ＭＰ等 ） 。凝 胶 电解质 是 在 多孔 的聚合 物 基体 中吸 附 电解 液 形成 的
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ ；ａ ｌ ｌ ・ － ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ — － ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｌ ｉ ｔ ｈ ｉ ｕ ｍ－ － ｉ ｏ ｎ ｂ ａ ｔ ｅ ｒ ｙ；ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｌ ｔｅ ｙ ；ｈ ｉ ｇ ｈ － － ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｐ ｕ ｔ
ｃ ａ ｌ ｃ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ： ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ
近年来 随着 电动汽车 的发展 以及 电网储 能及小型 在 各种 商 业化 可充 放 电化 学储 能装置 中，锂 离 储 能需 求的发展 ，开发 能够在 宽 的温度范 围使用，具 子 电池 拥有 最 高 的能量 密度 。现有 的商用 锂 离子 电 有 高安全 性、 高能量密度及功率密度 的 电池 十分必要 。 池 主要 包含 两 种类 型 ：一 种是 采用 液 态 电解质 的锂
第 ４期
张
舒 等 ：锂 离 子 电池 基础 科学 问题 （ ｘ）—— 全 固态锂 离子 电池
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电解 质 。与液 体 电解 液相 同，凝胶 电解 质 中 的 电解 的引入 ， 导致制 造 成本 显著 提 高 ， 电池 的可 靠 性无 液起 到离 子传 导及 在 负极 表面 形成 稳 定 的固体 电解 法 从根 本上 保 障 。如果采 用 固体 电解 质 ，则 可 以避
第一作 者 ：张舒 （ １ ９ ９ Ｏ 一 ），女 ，博 士研 究 生 ，研 究 方 向为无 机 固态 电 解质 及 全 固态 电池 ，Ｅ ． ｍａ ｉ ｌ ：ｃ ｕ ｔ ｅ ｓ ｈ ｕ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ；通 讯 联系 人 ：李 泓 ，研 ｒ 究 员 ，研 究方 向为 固体 离 子学 与锂 电池 材 料 ，Ｅ ． ｍａ ｉ ｌ ：ｈ ｌ ｉ ＠ｉ ｐ ｈ ｙ ａ ｃ ． ｃ ｎ 。
质膜 （ Ｓ Ｅ Ｉ ）的作 用 。
开液 体 电解 液带 来 的副 反应 、泄 露 、腐蚀 问题 ，从
液 态 电解 质 与 凝 胶 电解 质 拥 有 较 高 的 室温 离 而有 望 显著 延长 服役 寿命 、 降低 电池 整体 制造 成本 、 子 电导 率 ， 电解 液 能 够 有 效 地 浸 润 电 极 颗 粒 ，并 降 低 电 池 制 造 技 术 门 槛 ， 有 利 于 大 规 模 推 广 能够 在 正 负 极 活 性 材 料 的表 面 形 成 稳 定 的 固 体 电 使用 。 解 质 膜 ， 因 此 现 有 商 用 锂 离 子 电池 在 室温 附 近 具 近 年 来 ，大 容量 锂 离 子 电池 在 电动汽 车 、飞机 有 低 的 电 池 内阻 及 较 好 的循 环 稳 定 性 。但 有 机 液 辅助 电源 方 面 出现 了严重 的安 全 事故 ， 这 些 问题 的
离 子 电池 ；另 外一 种 是采 用凝 胶 电解 质 的锂 离子 电
收稿 日期 ：２ ０ １ ４ 。 ０ ６ — ０ １ ；修 改稿 日期 ：２ ０ １ ４ — ０ ６ ０ ５ 。 基 金项 目：北 京市 科委 项 目 （ Ｚ１ ３ １ １ １ ０ ０ ０ ３ ４ ０ ０ ０ ０ ）， 国家 重点 基础 研 究 发 展计 划 （ ９ ７ ３ ） （ ２ ０ １ ２ Ｃ Ｂ ９ ３ ２ ９ ０ ０ ）及 国家 自然科 学基 金杰 出青年 基金
张 舒，王少飞，凌仕 刚，高 健 ，吴娇杨， 肖 睿娟，李 泓，陈立泉
（ 中国科 学院物理研究所 ，北京 １ ０ ０ １ ９ ０ ）
摘
要 ：商用锂 离子电池 由于采用含有 易燃有机溶剂 的液体 电解质 ，存在 着安全 隐患 。发展全 固态锂 离子 电池
是提升电池安全性的可行技术途径之一。目前全固态锂离子电池的应用还需要解决一些科学与技术问题，包括：
ＡＪ Ｉ １ ． ｓ ｏ ｉ ｆ ｄ． ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｉｔ ｆ ｈ ｉ ｕ ｍ－ ｉ ｏ ｎ ｂａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ
Ｚ Ｈ Ａ ＮＧ Ｓ ｈ ｕ ，Ｗ Ａ ＮＧ Ｓ ｈ ａ ｏ ｆ ｅ ｉ ，Ｌ Ｉ ＮＧ Ｓ ｈ ｉ ｇ ａ ｎ ｇ ，Ｇ ＡＯＪ ｉ ａ ｎ ，ＷＵＪ ｉ ａ ｏ ｙ ａ ｎ ｇ ，
ｓ ｕ ｉ ａｂ ｔ ｌ ｅ ｎｏ ａ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｈｏ ｔ ｄ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｉ ｒ ａ ｌ ｓ ｆ ｏ ｒ ａ ｌ ｌ — ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｉ ｒ ｅ ｓ ； ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｎｏ ｈ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ｏｒ ｆ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ：ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ ｏ ｆ ｂ ａ ｔ ｅ ｉｅ ｒ ｓ ．Ｔ ｈ ｉ Ｓ Ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｓ ｕ ｍｍ ａ ｒ ｉ ｚ ｅ ｓ ｂ ｉｅ ｒ ｌ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｓ ａｔ ｔ ｕ ｓ ｏ ｆ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｉａ ｒ ｌ ｓ ， ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｓ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ — ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｐ ｕ ｔ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｉ ｔ ｏ ｎ ｏ ｎ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｒ ｔ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｉ ｒ ａ ｌ ｓ ａ ｎ ｄ ｈｅ ｔ ｎｔ ｉ ｅ ｆａ ｒ ｃ ｅ ｉ ｓ ｓ ｕ ｅ ｓ ｂ ｅ ｗ ｅ ｔ ｅ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｉａ ｒ ｌ ｎｄ ａ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｒ ｔ ｏ ｌ ｔｅ ｙ ．
第 ３卷 第 ４期 ２ ０ １ ４年 ７月
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能
科
ห้องสมุดไป่ตู้
学
与
技
术
Ｖ０ １ ． ３ Ｎｏ． ４ Ｊ ｕ１ ． ２Ｏｌ ４
Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ ｇ
锂 离子 电池基础科 学问题 （ Ｘ）— —全 固态锂 离子 电池
文献标 志码 ：Ａ
文章编号 ：２ ０ ９ ５ ． ４ ２ ３ ９（ ２ ０ １ ４ ）０ ４ ． ３ ７ ６ ． １ ９
Ｆｕ ｎ ｄ ａ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｉｃ ｆ ａ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｌ ｉ ｔ ｈ ｉ ｕ ｍ ｉ ｏ ｎ ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ
ＸＩ ＡＯ Ｒ ｕ ｊ ｉ ｕ ａ ｎ ，Ｌ Ｉ Ｈｏ ｎ ｇ ，Ｃ Ｈ Ｅ ＮＬ ｉ ｑ ｕ ａ ｎ
（ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ９ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
开发能在 宽温度 范 围使用 ，兼顾 高电导率与 电化 学稳 定性的 固体 电解质 材料；减 小电解质相 与 电极相界 面间 离
子输运 电阻的技 术；适合 全 固态 电池使 用的正 负极材料 ；相 关材料与 电池的设 计与规模化 制造 技术 。本 文从 固
体 电解质材料 的研 究开发进展 ，高通 量计算用 于固体 电解质材料 的筛选 以及 电极材料 与 固体 电解质界 面 问题 等
部 温 度 升 高或 大 电流 充 放 电或 短 路 导 致 电池 内部 在 电芯 外表 面 涂 覆 相变 阻燃材 料 、 改善 冷 却 系 统等
温 度 升 高 时 ， 电解 液 与 电极 之 间 的化 学 反 应 速 度 措 施 ， 能在 相 当程 度 上 提 高现 有 锂 离子 电池 的 安全 加 剧 ，进 一 步产 生热 量 ，可 以导 致 热 失控 。这 一 性 ， 但 这 些 措 施无 法 从 根本 上 保 证 大容 量 电池 系统
ｓ ａｂ ｔ ｉ ｌ ｉ ｙ ；ｄ ｔ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｎｔ ｉ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｒ ｔ ｎｓ ａ ｐ ｏ ｒ ｔ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ａ ｎ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ；
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