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固态电池技术有望解决现有液态电解质锂离子电池应用中存在的安全和寿命等问题,并有望进一步提高电池体系的能量密度。但是,固态电解质替代液态电解质的应用还存在诸多的技术障碍。一方面,固态电解质的室温电导率仍需要继续提升;另一方面,固态电解质与电极及其活性材料的界面问题导致锂离子的扩散动力学条件比液态电解质电池体系相差许多。
以上问题对电池正极材料提出了新的要求,以适应固态电池的发展。
一、具有高比容量和高能量密度
固态电池能量密度的提升是众望所归,但固态电解质的密度都高于液态电解质,将同体积的液态电解质置换为固态电解质,电池的能量密度均显著降低。而且,为构筑正极中连续的锂离子传输通道,往往会增加固态电解质的比例。此外,固态电解质材料多以粉体颗粒或薄膜的形式存在于正极中,具备不可压缩性,在正极中占据更多的体积,固态电池电芯的质量及体积能量密度会进一步降低。因此,具有高比容量和高能量密度的正极材料成为发展固态电池的必然之选。
二、提高结构和表面稳定性
体相结构稳定性的提高能够避免因晶格畸变造成的颗粒开裂、与固态电解质的物理接触被破坏。表面稳定性的提高能够避免正极材料与固态电解质发生反应,降低由于界面电阻升高使极片内部电子和离子的传输通道受阻情况的发生。对正极材料进行体相掺杂、表面包覆以及梯度材料的设计能够提高材料的结构稳定性以及与电解质接触界面的稳定性。目前报道比较集中的技术包括在正极颗粒表面覆盖超薄固态电解质层或原位生成固态电解质层。但是,正极材料与固态电解质的界面问题复杂多样,要针对不同正极材料的特点筛选固态电解质体系以及构建稳定界面的方法。
三、提高正极材料电子电导和离子电导,并构筑连续的传输网络
正极材料自身电子电导和锂离子电导率的提升可以有效提升电池性能,同时,在正极体系中构筑长程的、连续的、稳定的电子和离子传输网络直接决定了固态电池的性能和寿命。在正极颗粒表面包覆或原位形成快离子导体层,抑制颗粒形变的同时能够有利于颗粒表面的Li+的传输。引入高离子导电的粘结剂,发挥一物多效的作用,构筑电子和离子传输通道的同时降低固体电解质的质量占比。
四、有优异的高温循环稳定性和热稳定性
尽管固态电池不存在由于液态电解质的应用所引发的安全隐患,但出于提升体系离子电导率的目的而提高固态电池的工作温度,就给正极材料在高温下的性能稳定性和热稳定性提出了更高的要求。同时,选择匹配的耐高温粘结剂也是保障正极材料高温下稳定性的重要措施。