離子運輸機制、锂枝晶生長機制、固-固界面問題是固态電池面臨的三大問題:盡管
固态電池能量密度與安全性占優,然而固态電池内部固-固界面能壘高導緻锂離子傳輸速率低、锂枝晶生長、界面反應、以及锂金屬和固體電解質(SE)之間的實體接觸等仍然存在問題,導緻成品固态電池充放電速度差,循環壽命低于傳統液态電池。
固-固界面問題:固态電池性能及安全性關鍵挑戰
固-固界面問題直接影響固态電池的循環壽命等性能:固态電池固固界面接觸大部分情況下,接觸方式為點接觸,接觸面積小。部分電池體系下,界面初始可能是面接觸,但是随着電池的循環,電極材料不可以避免地發生體積膨脹,使得原本良好的接觸惡化,進而增加界面阻抗,電池性能持續惡化。同時持續應力累積也可能導緻正極和固态電解質層中産生微米級裂紋,正極與電解質之間的接觸惡化,加劇電池性能衰減。
固态電解質與金屬锂在外加電位下會發生電化學反應,固态電解質與锂金屬之間的接觸界面通常比較脆弱,接觸電阻可能比較大,如果界面不穩定,可能會引發劇烈的界面反應,導緻界面性能迅速退化。
而在液态電解質系統中,锂金屬表面會形成動态SEI,SEI層能夠在一定程度上緩解電解質與锂金屬之間的副反應,同時保持锂離子的導通性。此外,液态電解質具有良好的接觸性和潤濕性,可以在一定程度上自我修複或重新形成SEI層,進而适應锂金屬沉積過程中表面形态的變化,并使锂枝晶的形成和生長更容易控制,因為在液态電解質的作用下,锂可以更均勻地沉積。
固态比液态更容易由于界面問題出現熱失控:固态電解質一旦形成裂縫或與锂金屬接觸不良,就不像液态電解質那樣能形成SEI膜并具有自愈性,更容易導緻锂離子傳輸通道斷裂,形成锂枝晶,枝晶持續生長可能穿透電解質,造成電池短路大量産熱、溫度升高。而高溫可能會引起正極發生分解,高比容三元正極材料在熱分解時可能産生氧氣,與锂金屬負極反應,引發放熱反應,導緻電池溫度進一步升高和熱失控。
界面工程與改性能有效解決固固界面問題:針對固态電池存在的固固界面問題,目前主流通過界面工程與改性來改善,通過材料與工藝兩個次元實作改善。1)材料次元:選擇體積變化更小的 Li 金屬負極和包覆複合正極。2)工藝次元:宏觀界面問題,通過增大制備過程中的壓力,以消除孔隙、增強界面接觸。
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