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固態電池技術有望解決現有液態電解質鋰離子電池應用中存在的安全和壽命等問題,并有望進一步提高電池體系的能量密度。但是,固態電解質替代液態電解質的應用還存在諸多的技術障礙。一方面,固態電解質的室溫電導率仍需要繼續提升;另一方面,固態電解質與電極及其活性材料的界面問題導致鋰離子的擴散動力學條件比液態電解質電池體系相差許多。
以上問題對電池正極材料提出了新的要求,以適應固態電池的發展。
一、具有高比容量和高能量密度
固態電池能量密度的提升是眾望所歸,但固態電解質的密度都高于液態電解質,將同體積的液態電解質置換為固態電解質,電池的能量密度均顯著降低。而且,為構筑正極中連續的鋰離子傳輸通道,往往會增加固態電解質的比例。此外,固態電解質材料多以粉體顆粒或薄膜的形式存在于正極中,具備不可壓縮性,在正極中占據更多的體積,固態電池電芯的質量及體積能量密度會進一步降低。因此,具有高比容量和高能量密度的正極材料成為發展固態電池的必然之選。
二、提高結構和表面穩定性
體相結構穩定性的提高能夠避免因晶格畸變造成的顆粒開裂、與固態電解質的物理接觸被破壞。表面穩定性的提高能夠避免正極材料與固態電解質發生反應,降低由于界面電阻升高使極片內部電子和離子的傳輸通道受阻情況的發生。對正極材料進行體相摻雜、表面包覆以及梯度材料的設計能夠提高材料的結構穩定性以及與電解質接觸界面的穩定性。目前報道比較集中的技術包括在正極顆粒表面覆蓋超薄固態電解質層或原位生成固態電解質層。但是,正極材料與固態電解質的界面問題復雜多樣,要針對不同正極材料的特點篩選固態電解質體系以及構建穩定界面的方法。
三、提高正極材料電子電導和離子電導,并構筑連續的傳輸網絡
正極材料自身電子電導和鋰離子電導率的提升可以有效提升電池性能,同時,在正極體系中構筑長程的、連續的、穩定的電子和離子傳輸網絡直接決定了固態電池的性能和壽命。在正極顆粒表面包覆或原位形成快離子導體層,抑制顆粒形變的同時能夠有利于顆粒表面的Li+的傳輸。引入高離子導電的粘結劑,發揮一物多效的作用,構筑電子和離子傳輸通道的同時降低固體電解質的質量占比。
四、有優異的高溫循環穩定性和熱穩定性
盡管固態電池不存在由于液態電解質的應用所引發的安全隱患,但出于提升體系離子電導率的目的而提高固態電池的工作溫度,就給正極材料在高溫下的性能穩定性和熱穩定性提出了更高的要求。同時,選擇匹配的耐高溫粘結劑也是保障正極材料高溫下穩定性的重要措施。