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宁波材料所在复合固体电解质离子迁移机制研究中取得进展

文章来源：新材料在线更新时间：2021-04-30 14:35:20

参考来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

锂离子电池在生活中的广泛应用大大提高了人们的生活品质。但是由于采用了易燃的有机液体电解质，传统锂离子电池存在安全风险，能量密度也受到了限制。使用固体电解质替代有机液体电解质发展全固态电池有望解决这些问题，其中氧化物固体电解质是一个重要的研究方向。

氧化物固体电解质，包括钙钛矿型固体电解质、钠超离子（NASICON）型固体电解质和石榴石型固体电解质(Li7La3Zr2O12，LLZO)。其中，石榴石型固体电解质锂镧锆氧（LLZO）表现出优异的电化学性能和化学性能，在新能源设备开发应用中具有较大的发展前景，成为了近几年的研究热点。

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所在LLZO复合固体电解质离子迁移机制研究中取得进展。该所动力锂电池工程实验室副研究员沈彩采用锂镧锆氧（LLZO）无机固态颗粒和聚氧化乙烯（PEO）聚合物基体，制备出不同LLZO含量（0 wt.%、50 wt.%、75 wt.%）的LLZO-PEO复合固态电解质；采用峰值力导电原子力显微镜，研究了温度和LLZO含量对该复合固态电解质中离子迁移的影响。

研究表明，当温度低于PEO的玻璃化温度转变点（Tg）时，PEO基体为链状的结晶态，LLZO颗粒的加入使LLZO与PEO的界面处形成了PEO非晶区，从而降低了PEO的结晶度和玻璃化转变温度。研究人员结合微区定量纳米力学测量技术，发现随温度的升高，该电解质的杨氏模量降低、粘附力升高。当温度低于玻璃化转变温度Tg时，无论LLZO含量如何，锂离子只能沿非晶态的PEO进行迁移；温度高于Tg时，当加入少量LLZO颗粒时，锂离子主要沿非晶区PEO进行迁移，随着LLZO含量（75 wt.%）的增加，LLZO颗粒在PEO基体中形成连续的离子导电网络，锂离子可在高温下通过LLZO颗粒进行迁移。在制备的电解质中，离子迁移电流高于电子电流三个数量级，占主导地位。其中，PEO区域的电子电流远大于LLZO颗粒，说明LLZO颗粒的加入能够提高复合电解质的电子绝缘性能。由于LLZO具有较高的模量和优异的绝缘性能，LLZO颗粒的加入有望抑制金属锂负极中锂枝晶的生长。

该研究在有机固体电解质玻璃化转变状态下直观地揭示了无机填料含量和工作温度对复合固态电解质性能的影响，对锂离子电池固态电解质的设计和开发具有重要的指导意义。

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