中國粉體網訊  高安全、高能量密度以及長壽命全固態電池被視為下一代最重要的儲能技術之一，而開發高性能固態電池的核心之一就是制備性能匹配的固態電解質。如何設計出兼顧力學性能、鋰離子電導率、電化學窗口、安全性和成本的固態電解質材料是全固態鋰電池的重要發展方向。

目前，石榴石型固體電解質憑借高離子導率且對于鋰金屬穩定等特點,成為最受人矚目的固體電解質材料之一。與此同時，其在實用化進程中依然存在各種各樣的問題。對此，我們邀請到來自青島大學的郭向欣教授做客“對話”欄目，圍繞石榴石型固體電解質以及LLZO固態鋰電池在實用化進程中的問題進行探討交流。

青島大學郭向欣教授

粉體網：郭教授，您在氧化物固體電解質尤其是石榴石型固體電解質方面開展了系列研究工作。首先請您介紹一下石榴石型固體電解質。

郭向欣教授：石榴石型固體電解質即Garnet 型固體電解質，最早于2007年由 Weppner教授公開報道，至今已有15年，在氧化物里邊還是屬于比較年輕的一種材料，從這也可以看出一種材料從研發到應用的過程是漫長的。

石榴石型固體電解質具有很多優點，比如離子電導率在氧化物里邊 屬于比較高的，它對鋰金屬、包括在大氣環境里是相對穩定的，所以受到大家普遍的關注，是當前無機固體電解質研究的熱點。

但是通過深入的研發，也發現這種材料存在表界面穩定性的問題，在全固態電池的應用中，比較剛性，存在界面阻抗較高、庫倫效率低、放電比容量低、倍率性能差、循環性能差等問題。

若要用好這種材料，還要結合應用的需求，揚長避短。這也是我們的研究團隊近年來在氧化物固體電解質尤其是石榴石型固體電解質方面開展的工作，目前主要研究怎樣把固體電解質引進到液態電池中去，做出性能比較好的固液混合電池。

粉體網：郭教授，鋰鑭鋯氧固體電解質粉體在大氣環境中靜置，表面會形成碳酸鋰層，對此，可以采取哪些方法去除？

郭向欣教授：對于鋰鑭鋯氧表面碳酸鋰的認識也是經過了一個過程。起初，研究人員認為LLZO固態電解質在空氣中是穩定的，認為其粉體可以直接應用，實際上表面存在碳酸鋰。隨著研究的進展,人們已經認識到表面碳酸鋰這一普遍的現象，碳酸鋰的存在也越來越受到人們的重視。碳酸鋰問題影響到電解質中的離子傳輸、與兩極的界面接觸以及枝晶生長等固態電池中的關鍵問題。即使是納米尺度的碳酸鋰, 也會導致界面阻抗數量級的提升。

但是幸運的是碳酸鋰不是不可克服的，可以采取一定的方法去除。比如加熱的方法，碳酸鋰在800度會分解；再比如可以采取酸洗的方法，實驗中碳酸鋰與鹽酸可以生成二氧化碳，這樣作為氣體就釋放了；另外除了去除的方法，還可以采取包覆的方法，這也是粉體材料里邊常用的技術。就是用一些表面包覆，包括反應或者不反應的包覆。一方面保護它，不讓它和外面的環境接觸，這樣就不生成碳酸鋰。另一方面讓它反應掉，即使表面有一些碳酸鋰，包覆的時候采用反應包覆，消耗掉碳酸鋰。整體來說，可采取的方法是很多的，關鍵還要看我們具體的應用場合。

粉體網：郭教授，在鋰鑭鋯氧陶瓷電解質中，存在鋰金屬穿透陶瓷層的問題，如何找到有效方法克服這一困難？

郭向欣教授：這個問題也是鋰鑭鋯氧固體電解質研究的一個焦點。在基于液態電解液的鋰電池中, 金屬鋰在反復沉積和剝離過程中出現枝晶進而刺穿隔膜造成電池短路的問題由來已久。人們期望在固態鋰電池中使用楊氏模量遠高于金屬鋰的 LLZO 陶瓷電解質以克服金屬鋰的上述問題, 然而實驗表明 LLZO陶瓷片在較低的電流密度下即被鋰貫穿。

原來大家認為采用很硬的陶瓷，剛性很強，和鋰金屬搭配，可以抑制鋰枝晶。現在大家認為不但沒有抑制鋰枝晶，反而加速了鋰枝晶的生長。對其機理，目前研究的比較深入，我們也做了一些總結。整體而言，有兩個重要要素。

其一，電勢或者說電場。陶瓷電解質與鋰金屬的物理接觸直接影響兩者之間電接觸, 而界面電場的分布是否均勻決定了鋰在界面成核生長的均勻性。如果電場不均勻，局部的電場過大，這時候它就會誘導鋰優先生長。

其二，電子導電。固體電解質里邊的電子導電本來就是很少的，只能說是殘余電子導電。而且有些時候，我們所講的缺陷，都帶有電子。只要在某處有電子，鋰離子就會過來中和，進而造成鋰的聚集。當聚集超過一定的成核尺寸的時候，它就會長大。尤其在充放電過程中，加之電場的不均勻、殘余電子等，會加速鋰的析出和長大。最終我們觀察到的就好像鋰枝晶穿透一樣。

所以，我們在做這方面工作的時候，一方面要注意電場均勻度的調控，另一方面要減少這殘余電子，包括帶電荷的缺陷，這都是一體化的系統工程。

粉體網：郭教授，除了剛剛提及的問題，LLZO固態鋰電池實用化進程中還存在哪些關鍵問題？

郭向欣教授：若要真正做成電池，需要考慮的層面很多。這不是哪一個方面的問題，而是多層次多維度多尺度的問題。

目前固體電解質的大規模商業化應用還面臨一些問題。一方面固態電解質的離子電導率無法達到商業要求，固態電解質的離子電導率相較有機液態電解質仍有較大差距。此外，固態電解質與電極之間存在較大的界面阻抗，對于電池的容量、循環性能和倍率均有影響。目前，固態電解質的研究方向也主要集中于如何提高離子電導率和降低高界面阻抗。

實際上現在這兩個問題，都是結合起來的。采用固體電解質，離子電導率肯定會下降、電池的倍率性能會下降。因為固體本身穩定，穩定之后導離子會緩慢。所以相比液態電池，其導電性要差，內阻會增大。

另外，采用固體電解質，存在界面的問題，這也是目前討論最多的問題。界面是固固界面，不像固液界面接觸那么自然，離子沒有障礙。現在的固固界面，或者是少液的情況下的固液固界面，這些界面都會對離子的傳輸造成影響。從技術科學角度來講，這是現在最需要克服的問題，即離子的輸運問題。

從技術層面來講，涉及到的問題更多，如材料、單體電芯的制備、單體電芯的集成以及系統的管理等，可以說在多方面都需要我們持續不斷的努力。

粉體網：郭教授，您如何看待固態鋰電池的發展趨勢？您接下來有何研究規劃？

郭向欣教授：固態鋰電池可以說是新技術、新產品，是新一代的電池。它的出現到真正的應用肯定要走很長的路。另一方面，我們也看到，近年來，通過業內眾多企業、科研機構等共同努力，固態鋰電池的推進是很快的，每年都有新的進展和突破。所以，對于固態電池的產業化我是很有信心的，這一天很快會到來。但到來這一過程肯定不是一帆風順的，一定還有很多的困難和問題需要我們去克服。

對于我們的規劃，我覺得不管是做材料還是做電池，最終是要能應用，能真正解決我們實際中的問題。無論是我們的3C電子產品、智能電網，還是新能源汽車，它對電池、電芯的要求是不一樣的。過去我們團隊做了很多有關材料、基礎研究工作以及應用研發的工作。現在我們更傾向于同真正的應用單位有更多的交流，提出他們應用方面對材料、電芯等方面的需求，這樣來開展有針對性的研發工作，從而解決實際應用中關鍵的科學與技術問題。

（中國粉體網編輯整理/黑金）

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