固态电解质

固态电解质电池是一种新型电池技术，其核心在于使用固态电解质替代传统液态电池中的电解液和隔膜。这种设计使得固态电池具有更高的安全性、更高的能量密度以及更长的循环寿命等优点。

固态电解质电池的工作原理与液态电池类似，都是通过带电离子在正负极之间来回移动实现充放电过程。然而，固态电解质的使用不仅提高了电池的安全性，还减少了有机溶剂的使用，从而降低了电池的易燃性。此外，固态电解质的种类主要包括聚合物、氧化物和硫化物三种类型，每种类型的电解质都有其独特的优缺点。

根据电解质的不同，主要可分为聚合物固态电解质和无机固态电解质。前者代表性的体系是PEO聚环氧乙烷；后者是氧化物、硫化物和卤化物体系。

聚合物固态电解质是由高分子量的聚合物和锂盐（如LiClO4、LiAsF6、LiPF6等）组成的体系，具有离子传输能力的聚合物电解质，与碱金属盐配位具有离子导电性。一般的聚合物基体有醚基聚合物、腈基聚合物、硅氧烷基聚合物、碳酸盐基聚合物、偏氟乙烯基聚合物等。

氧化物固态电解质由氧化物类无机盐组成，可分为晶态电解质和非晶态电解质。除可用在薄膜电池中的锂磷氧氮LiPON型非晶态电解质之外，当前商用化主要聚焦在晶态电解质材料的研究，主流的晶态电解质材料体系有：石榴石（LLZO）结构固态电解质、钙钛矿（LLTO）结构固态电解质、NASICON钠超离子导体型固态电解质和LISICON型固体电解质等。

硫化物电解质属于无机固态电解质，是由氧化物固体电解质衍生出来的，即电解质中的氧化物机体中氧元素被硫元素所取代。S2−与 O2−相比，半径更大，导致离子传导通道更大；电负性更小，与Li+的相互作用更小，极大提高电解质的室温离子电导率。按结晶形态分为晶态、玻璃态及玻璃陶瓷电解质。晶态固体电解质的典型代表是Thio-LISICON和Li2SiP2S12体系。

卤化物电解质的化学通式为Lia-M-Xb，源于在卤化锂LiX (X = Br、Cl、F)中 引入高价态的过渡金属元素M阳离子，调节Li+及空位浓度进而形成类似Lia-M-Xb类化合物。

目前常见卤化物电解质有三类：Lia-M-Cl6、Lia-M-Cl4及 Lia-M-Cl8类卤化物，前两类的离子电导率可达到10-3S/cm。但卤化物电解质在不同温度下易发生相转变从而影响电导率，并且在空气中易水解，因此合成成本高昂。此外，过渡金属与锂金属反应导致锂负极兼容性较差。

固态电池的正极材料主要有：锂钴酸锂、锂铁磷酸锂、钴酸镍锂、钴酸铝锂。

1、锂钴酸锂：锂离子电池中常用正极材料，能够提供高能量密度和长循环寿命，但存在安全性问题。

2、锂铁磷酸锂：相对于锂钴酸锂，锂铁磷酸锂具有更好的安全性和更长的寿命，但能量密度较低。

3、钴酸镍锂：能量密度高，长循环寿命，但材料成本高，具存在安全性问题。

4、钴酸铝锂：能量密度高，但循环寿命略低于钻酸镍锂。

5、固态电解质中的多种材料组合:例如高锰酸锂(LiMn204)和钛酸锂(Li4Ti5012)等，能够提供更高的安全性和更长的寿命，但能量密度相对较低。

负极材料

固态电池的负极材料主要有三种：金属锂、碳材料和硅材料。

1、金属锂主要应用于固态锂离子电池和固态锂硫电池中。其中，固态锂离子电池是一种高能量密度的电池，可以应用于电动汽车、无人机等领域;而固态锂硫电池则是一种高能量密度和高安全性的电池，可以应用于航空航天、军事等领域。

2、碳材料主要应用于固态锂离子电池中。其中，碳纳米管是一种常见的碳材料，它具有高的比表面积和优异的电化学性能，可以应用于高性能的固态锂离子电池中。

3、硅材料是一种新型的负极材料，它具有高的比容量和较低的成本。在固态电池中，硅材料可以与固态电解质反应，形成锂离子，从而实现电池的充放电。与金属锂和碳材料相比，硅材料的比容量更高，但是它的循环稳定性较差，容易发生体积膨胀和结构破坏。硅材料主要应用于固态锂离子电池中。其中，硅纳米线是一种常见的硅材料，它具有高的比表面积和优异的电化学性能，可以应用于高性能的固态锂离子电池中。

无机固态电解质包括氯化钠、 氯化钾、氯化钙、硫化钠、硫化钾、碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化镁等。

固态电解质前驱体混合物在惰性气氛保护下，进行400～700℃高温煅烧（时间为2-10小时）即可得到电池级硫化物固态电解质。

硫化物块体电解质制备温度在800℃－1100℃，在这些高温下，具有明显的li的挥发损失。