中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：研究表明盡管使用無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)能夠提升電池的安全性，尤其是硫化物固態(tài)電解質(zhì)具有較高的鋰離子傳輸性能，且作為固態(tài)電解質(zhì)基本不受離子濃度變化的影響，但總體上而言，現(xiàn)階段觀察到全固態(tài)電池的充放電性能仍然低于使用離子液體的有機(jī)電解質(zhì)的鋰離子電池。由于電池的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在電極活性物質(zhì)與電解質(zhì)之間的界面上，良好的界面將能夠提供優(yōu)異的化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，有利于活性物質(zhì)充分的發(fā)揮其化學(xué)性能，另外電極中離子和電子的傳輸性能也將影響電池的性能，離子和電子傳輸路徑與電極的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，它們?nèi)Q于電極的制造工藝如外部壓力等條件。對(duì)于常規(guī)液體電池而言，活性物質(zhì)與電解質(zhì)之間基本能夠?qū)崿F(xiàn)充分潤(rùn)濕與接觸，能夠提供良好的界面，但對(duì)于全固態(tài)電池而言，不僅固相之間的潤(rùn)濕性能較差，還會(huì)導(dǎo)致離子和電子的傳輸存在較大問(wèn)題。
常規(guī)的做法是在電極制造的過(guò)程中施加一定的壓力，來(lái)克服固態(tài)粉末之間的固-固接觸。在電極制造過(guò)程中，盡管施加高壓改善了粉末之間的固-固接觸，但后續(xù)在電池充放電反應(yīng)復(fù)合電極不同材料的體積變化，會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)之間接觸不良，因此在充放電過(guò)程中同樣需要一定壓力用以克服帶來(lái)的問(wèn)題。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)一般需要施加的壓力為1MPa，遠(yuǎn)低于電極制造過(guò)程中的百M(fèi)Pa，壓力參數(shù)直接影響復(fù)合電極中的空隙率，并改變表觀離子電導(dǎo)率。
近日豐田公司研究人員及其合作者設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)利用X射線斷層掃描的方法分析了壓力對(duì)復(fù)合電極形態(tài)結(jié)構(gòu)和全固態(tài)電池（ASSB）電池電化學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）增加壓力會(huì)降低電極的孔隙率，有效提高活性材料（AM）與固體電解質(zhì)（SE）之間的接觸面積。降低孔隙率、提升接觸面積會(huì)顯著影響電極的表觀電導(dǎo)率；（2）AM和SE之間接觸面積的提升使得電極中電荷轉(zhuǎn)移電阻降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)；（3）外部施加壓力使得電池充電/放電容量有效增加，表明正極材料電化學(xué)活性得到有效提升，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隨壓力增加電池充放電容量呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)別的增加。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析認(rèn)為盡管表觀電導(dǎo)率的提高和電荷轉(zhuǎn)移電阻的降低，都有利于提升電池的電化學(xué)性能，但電荷轉(zhuǎn)移電阻降低的效果尤為明顯。AM和SE之間的接觸界面略微垂直于施加的壓力。同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)垂直于AM和SE接觸面的方向?qū)嵤毫?，即使外部?shí)施較低的壓力也能達(dá)到較為理想的效果。
點(diǎn)評(píng)：從日本或豐田公司對(duì)全固態(tài)電池的研究跟蹤來(lái)看，認(rèn)為目前日本對(duì)固態(tài)電池研究主要聚焦在工藝端，如何通過(guò)工藝研究更好的提升全固態(tài)電池的電化學(xué)性能以及實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池規(guī)模化量產(chǎn)。
相關(guān)研究成果“Pressure dependence on the three-dimensional structure of a composite electrode in an all-solidstate battery”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。
【文獻(xiàn)信息】Yuya Sakka, Hisao Yamashige, Ayaka Watanabe, Akihisa Takeuchi,Masayuki Uesugi, Kentaro Uesugic and Yuki Orikas，Pressure dependence on the three-dimensional structure of a composite electrode in an all-solidstate battery，J. Mater. Chem. A, 2022, 10,16602.
