地球上有限的锂资源以及传统液态电解质的安全性问题使得开发全固态钠离子电池势在必行。钠离子固态电解质作为全固态钠电池的核心部件，对提高电池的安全性和电化学性能具有极其重要的作用。NASICON型固态电解质Na1+xZr2SixP3-xO12(0≤x≤3)因其独特的3D开放微观结构、化学/热稳定性好等优点而受到广泛关注，近几年在材料开发和性能优化方面取得长足进步。为了更好地了解该类材料的研发进展和最新动态，本文综述了近年来Na1+xZr2SixP3-xO12在晶体结构、离子传输机制、粉末制备方法以及电解质片烧结方法等关键特性方面的研究进展，深入分析了Na1+xZr2SixP3-xO12目前面临的挑战：离子电导率较低和电极-电解质界面接触差2大问题，重点介绍了其针对性改性方法的研究进展。本文最后对Na1+xZr2SixP3-xO12材料的优化策略和未来可能的发展趋势进行了总结与展望，对未来NASICON固态电解质及固态钠电池的研究将起到一定借鉴和推动作用。
固态钠电池 电解质 钠超离子导体 离子电导率 界面改性 solid-state sodium battery electrolyte natrium super ionic conductor ionic conductivity interface modification
1 1.西安交通大学 材料科学与工程学院 金属材料强度国家重点实验室, 西安 710049
2 2.中山大学 化学工程与技术学院, 珠海 519082
本工作研究了Li2O作为烧结助剂对固体氧化物燃料电池La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ (LSGM)电解质烧结行为的影响规律, 系统表征了烧结助剂含量和烧结温度对LSGM烧结体的致密度、微观组织结构、相组成以及离子电导率的影响。研究结果表明, Li2O烧结助剂不仅可显著降低LSGM电解质的完全致密化烧结温度, 还可以消除电解质粉体中原有的LaSrGa3O7杂相, 并且抑制常规烧结过程中易于产生的MgO杂相, 从而获得较高离子电导率的LSGM块体。当Li元素添加量为摩尔分数1%时, 在1400 ℃烧结4 h 获得的LSGM烧结体, 其体密度达到理论密度的99% 且为单一的钙钛矿结构。烧结体的离子电导率在800 ℃测试温度下达到最大值0.17 S/cm, 相比未添加烧结助剂的试样提升20%以上。上述结果表明, 通过添加适量的Li2O作为烧结助剂对制备用于中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)高离子电导率的电解质具有重要意义。
固体氧化物燃料电池 LSGM电解质 烧结助剂 烧结特性 离子电导率 solid oxide fuel cell LSGM electrolyte sintering aid sintering characteristics ionic conductivity
新型电池物理与技术教育部重点实验室，吉林大学物理学院，长春 130012
在新一代储能领域中，相比于传统的有机液态电池，全固态电池具有安全性高、能量密度高和循环寿命长等优势，对其电解质的研究更是关注的重点。有机-无机复合固态电解质结合了无机固态电解质高强度、高稳定性、高离子电导率与聚合物固态电解质的质软、易加工的优势，是目前最有潜力的电解质体系。对锂离子固态电解质的基础进行了简介，并着重对有机-无机复合电解质存在的问题(离子电导率、固固界面、电化学窗口及两相相容性)及优化策略进行总结，最后对复合电解质面临的关键挑战和未来发展趋势进行了展望。
锂离子电池 固态电解质 有机-无机复合固态电解质 离子电导率 固固界面 lithium ion battery solid-state electrolyte organic-inorganic composite solid electrolyte ionic conductivity solid-solid interface
华中科技大学材料科学与工程学院, 材料成形与模具技术国家重点实验室, 武汉 430074
通过固相法制备Ta掺杂Li7La3Zr2O12(Ta-LLZO)陶瓷, 以LiOH为锂源合成Ta-LLZO粉末, 并以LiOH为助烧剂制备Ta-LLZO陶瓷, 研究了LiOH对Ta-LLZO陶瓷的组织结构和离子电导率的影响。结果表明: 以LiOH为锂源可促进立方相Ta-LLZO的生成。同时, 以LiOH为助烧剂, 可有效促进陶瓷的致密化, 在1 200 ℃烧结5 h可获得致密的立方相Ta-LLZO陶瓷。当助烧剂的添加量为6%(质量分数)时, 陶瓷的离子电导率可达6.23×10-4 S·cm-1。可见, 固相法制备的Li7La3Zr2O12在全固态锂离子电池中具有广阔的应用前景。
固体电解质 石榴石型 锂镧锆氧 固相反应 锂离子电导率 solid state electrolyte garnet-type lithium lanthanum zirconium oxides solid state reaction lithium ion conduction
成都理工大学材料与化学化工学院, 成都 610059
固态电解质是高安全性、高能量密度的全固态锂电池的核心部件, 其典型代表Li7La3Zr2O12(LLZO)具有高离子电导率、高机械强度、高电化学稳定性、低界面阻抗以及对锂金属负极良好的稳定性等优势, 是科研人员重点关注的对象之一, 但与液态电解质相比, 目前LLZO仍存在低离子电导率和与电极固-固界面接触等问题。本文主要简介了LLZO的晶体结构、改性方式等对其离子电导率及界面阻抗的影响, 同时对LLZO现存的问题进行了总结, 对LLZO的未来发展方向进行了展望, 为探索全固态锂电池的实际生产应用提供理论指导。
固态电解质 全固态锂电池 晶体结构 离子电导率 界面阻抗 solid-state electrolyte Li7La3Zr2O12 Li7La3Zr2O12 all-solid-state lithium battery crystal structure ionic conductivity interface impedance
中南大学化学化工学院, 湖南省锰资源高效清洁利用重点实验室, 长沙 410083
固体氧化物电解池可以清洁、高效地将电能和热能转化为化学能, 在新能源领域具有广阔的应用前景。La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ(LSCM)具有较好的高温稳定性, 但离子电导率相对较低, 在电解过程中电催化性能不足。本文将LSCM与具有较高离子导电性的Ce0.8Gd0.2O2-δ(GDC)复配构造复合电极, 并以共负载的形式在复合电极中浸渍纳米Ni、Cu金属催化剂提高电极的水蒸气吸附和转化能力,Ni、Cu共负载能够同时保留单一Ni或Cu负载对电极电解机制的改善。结果表明, Ni、Cu共负载相比于单一Ni或Cu负载电极在还原性气氛下具有更高的电化学性能, 在还原性气氛和800 ℃工作温度下, 镍铜质量比2∶8的负载电极在-0.1 V过电位下的电流密度可达到2.36 A·cm-2, 极化阻抗为0.92 Ω·cm2。
固体氧化物电解池 阴极材料 LSCM-GDC复合电极 离子电导率 电化学性能 高温水蒸气电解 浸渍法 solid oxide electrolysis cell cathode material LSCM LSCM LSCM-GDC composite electrode ionic conductivity electrochemical performance high temperature steam electrolysis impregnation method
1 长沙理工大学材料科学与工程学院, 长沙 410014
2 清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084
固体氧化物电池(SOCs)作为一种绿色、高效的全固态能量转换装置, 既能在燃料电池模式下将氢、碳、烃、醇等燃料的化学能转化为电能, 又能在电解池模式下分解水制氢, 在缓解全球能源危机、实现碳中和等方面具有重要意义。然而, SOCs常用的Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)电解质材料在1 000 ℃以上才具有较高的离子电导率, 但过高的工作温度会提高运行成本, 限制材料选择, 并降低系统稳定性。因此, 降低工作温度一直是SOCs发展的核心问题之一, 开发高电导率电解质材料和降低电解质膜厚度是实现SOCs中低温化应用的主要路径。本文从材料开发和薄膜制造两方面对中低温SOCs各类氧离子电解质的研究进展进行梳理, 针对ZrO2、CeO2、Bi2O3及LaGaO3基固体电解质, 系统阐述了异价离子掺杂对提升氧离子电导率和稳定相结构的作用机制, 介绍了电解质薄膜的制备技术和导电性能, 为发展高性能固体氧化物电池电解质材料提供参考依据。
固体氧化物电池 固体电解质 薄膜 氧离子电导率 掺杂 solid oxide cells solid electrolyte thin film oxygen ion conductivity doping
海南大学,南海海洋资源利用国家重点实验室,海南省特种玻璃重点实验室,海口 570228
采用草酸盐共沉淀法制备出具有三斜结构的共掺杂固体电解质Ta1-x-yTixSnyO2.5-δ(x=0.077,y=0~0.053)材料。利用X射线衍射分析、扫描电子显微镜、差热分析、阻抗分析等方法对该固体电解质进行了热性能和电性能分析,研究发现经Sn4+和Ti4+共掺杂之后,将氧化钽基电解质的高温三斜相稳定到了室温,在其结构中因掺杂产生更多氧空位从而提高了氧化钽基电解质的电导率。在973 K条件下,固体电解质Ta0.89Ti0.077Sn0.033O2.5-δ的离子电导率为0.76×10-1 S/cm,活化能为0.696 eV,同时该共掺杂固体电解质具有较低的热膨胀系数3.78×10-6 K-1,属于低膨胀材料,具有良好的热稳定性和热循环性能。
氧化钽 固体电解质 SnO2/TiO2共掺杂 离子电导率 热膨胀 Ta2O5 solid electrolyte SnO2/TiO2 co-doped ion conductivity thermal expansion
