在上一篇文章《淺談Li+遷移數(shù)的提高與鋰離子電池快充（上）》中，講到Li+的遷移數(shù)對(duì)于提高鋰離子電池的快速充電能力具有重要的意義，在這篇文章中我們就繼續(xù)帶大家來了解一下如何有效提高鋰離子電池電解質(zhì)中的Li+遷移數(shù)。

從上一篇文章的介紹中我們也可以看到，開發(fā)Li+遷移數(shù)更高的電解液對(duì)于快充電池的意義不言而喻，實(shí)際上這一項(xiàng)研究也在持續(xù)進(jìn)行，例如下圖中的Li+導(dǎo)體陶瓷材料就是一種單離子導(dǎo)體，因此其遷移數(shù)為1。圖b中的固體聚合物電解液通過將陰離子固定在聚合物的骨架結(jié)構(gòu)上，避免了陰離子的遷移，提高了Li+的遷移數(shù)。為了提高上述的共聚物電解液的性能，人們還向其中添加了小分子溶劑和納米顆粒，如圖d所示。另外一種思路是固定液體電解液中的陰離子，例如采用工具陰離子、高濃度電解液等方法提高液體電解液的Li+遷移數(shù)。

上述提高電解質(zhì)Li+遷移數(shù)的方法也都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，那么接下來我們就和大家一起進(jìn)行以下分析。

• 陶瓷基單離子導(dǎo)體

固體氧化物電解質(zhì)是近年來研究非?；馃岬囊环N陶瓷基的單離子導(dǎo)體，目前研究比較火熱的主要是石榴石相的金屬氧化物材料，例如Li7La3Zr2O12，以及鋰硫代硫酸鹽，Li2S?P2S5等，這些材料本身具有很高的離子電導(dǎo)率，在室溫下最高可達(dá)25mS/cm，同時(shí)這些電解質(zhì)中只有Li+能夠進(jìn)行遷移，因此是一種非常理想的電解質(zhì)候選者。但是陶瓷電解質(zhì)要真正的應(yīng)用在鋰離子電池上還面臨很多挑戰(zhàn)，首先是由于陶瓷材料的脆性很強(qiáng)，因此在制成厚度小于100um，甚至是20um的電解質(zhì)膜的工藝就非常難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)傳統(tǒng)的固相合成方法會(huì)在陶瓷電解質(zhì)內(nèi)形成眾多的晶界和微孔，從而極大的降低陶瓷電解質(zhì)的電導(dǎo)率（實(shí)際中陶瓷電解質(zhì)因?yàn)榫Ы珉娮璧拇嬖?，鋰離子電導(dǎo)率要遠(yuǎn)低于理論值）。

• 單聚物電解質(zhì)

在這中電解質(zhì)中，陰離子被固定在一個(gè)聚合物長(zhǎng)鏈上，因此不會(huì)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生移動(dòng)，因此Li+的擴(kuò)散只能以占據(jù)空位的形式進(jìn)行，這也導(dǎo)致了這種電解液中Li+的擴(kuò)散速度要明顯低于液體電解質(zhì)，從而使得其在室溫下電導(dǎo)率很低。下圖總結(jié)了自1985年首次發(fā)現(xiàn)單離子導(dǎo)體聚合物電解質(zhì)以來，不同聚合物電導(dǎo)率在30和90℃下電導(dǎo)率提升情況（根據(jù)不同年份發(fā)表論文整理）。從圖上可以看到在過去的20年中單離子導(dǎo)體聚合物電解質(zhì)常溫電導(dǎo)率一直維持在10-5S/cm左右，鮮有提升

• 添加劑改性聚合物電解質(zhì)

鑒于單離子導(dǎo)體聚合物電解質(zhì)的性能提升非常困難，人們嘗試向其中添加少量的小分子溶劑和納米顆粒來改善其電導(dǎo)率。小分子溶劑的主要作用是提高Li+的溶解度，從而提高電解質(zhì)中載流子的濃度。向聚合物電解質(zhì)中添加一定數(shù)量的納米顆粒也能夠有效的提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率，例如相PEO/LiCiO4中添加部分TiO2能夠顯著改善電解質(zhì)的電導(dǎo)率。最近的研究顯示，通過向聚合物電解質(zhì)中添加部分添加劑可以在Li+遷移數(shù)高于0.9的情況下，將電導(dǎo)率提高到10-4S/cm。未來關(guān)于聚合物電解質(zhì)的研究應(yīng)該聚焦在深入理解“添加劑-鹽-聚合物”之間的反應(yīng)機(jī)理上。

• 液體電解質(zhì)

液體電解質(zhì)是目前鋰離子電池上主流的電解液選擇，因此如何提高液體電解質(zhì)的Li+遷移數(shù)，是我們最為關(guān)心的內(nèi)容。液體電解質(zhì)的電導(dǎo)率一般能夠達(dá)到10mS／cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的電解質(zhì)，但是由于Li+溶劑化外殼的限制，Li+遷移數(shù)一般都低于0.5，這也極大的限制了采用液體電解質(zhì)的鋰離子電池的快速充電的能力。解決這一問題可以通過兩個(gè)方面著手，首先可以從限制陰離子的移動(dòng)著手，例如在2013年Archer等人就提出了將陰離子固定在納米顆粒上的思路，另外一個(gè)思路就是利用高濃度的鋰鹽實(shí)現(xiàn)，例如高濃度的LTFSI的電解液的Li+遷移數(shù)就可以達(dá)到0.7，研究認(rèn)為這可能是獨(dú)特的溶液結(jié)構(gòu)使得陰離子的移動(dòng)能力大大降低，而陽離子受到的影響則較小。

總的來說，我們目前在提高液態(tài)電解質(zhì)方面所作的工作還比較少，因此這方面還有很廣闊的前景。加州大學(xué)伯克利分校的Kyle M. Diederichsen認(rèn)為可溶性的聚合物陰離子鋰鹽是實(shí)現(xiàn)高Li+遷移數(shù)液態(tài)電解質(zhì)的有效途徑，值得我們?cè)谶@方面進(jìn)行深入研究。

返回第一電動(dòng)網(wǎng)首頁 >