綜述固態(tài)鋰電池-LATP/聚合物復(fù)合電解質(zhì)的最新進(jìn)展

Comments

這篇綜述非常系統(tǒng)地梳理了如何通過將LATP陶瓷填料與聚合物混合，利用兩者的協(xié)同效應(yīng)，解決了單一材料導(dǎo)電率低或界面阻抗高的問題，并詳細(xì)總結(jié)了提升離子傳輸效率和界面穩(wěn)定性的具體改性策略。這是一篇關(guān)于固態(tài)電池核心材料的深度綜述。目前的鋰電池領(lǐng)域，液態(tài)電解質(zhì)存在泄漏和易燃風(fēng)險(xiǎn)，而純固態(tài)電解質(zhì)要么導(dǎo)電太慢（聚合物），要么太脆且界面接觸差（氧化物陶瓷）。這項(xiàng)研究聚焦于復(fù)合聚合物電解質(zhì)這一折中路線，特別是基于LATP材料的體系。它不僅講清楚了鋰離子是怎么在里面跑的，還給出了解決界面副反應(yīng)這一頑疾的具體藥方，為設(shè)計(jì)下一代高安全、高能量密度的固態(tài)鋰電池提供了非常實(shí)用的路書。

摘要

本文綜述了LATP/聚合物復(fù)合電解質(zhì)（CPEs）在固態(tài)鋰電池中的最新進(jìn)展。文章首先闡明了鋰離子在該復(fù)合體系中的傳輸機(jī)制，重點(diǎn)分析了LATP含量對導(dǎo)電率的影響。其次，深入評估了不同聚合物基體（如PEO、PVDF、PMMA）與LATP結(jié)合時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及界面工程策略。最后，文章探討了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，特別是電極/電解質(zhì)界面的副反應(yīng)問題，并提出了未來實(shí)現(xiàn)高性能固態(tài)鋰電池的研究方向。

引言

研究背景:

傳統(tǒng)鋰離子電池使用液態(tài)電解質(zhì)，面臨泄漏、熱失控和鋰枝晶（鋰金屬表面生長的樹枝狀結(jié)晶，容易刺穿隔膜導(dǎo)致短路）生長等安全隱患。固態(tài)鋰電池通過使用固態(tài)電解質(zhì)解決了安全性問題，并有望匹配高能量密度的鋰金屬負(fù)極。然而，現(xiàn)有的聚合物固態(tài)電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率低，而以LATP為代表的氧化物陶瓷電解質(zhì)雖然導(dǎo)電好，但存在界面阻抗大、易被鋰還原等缺陷。將兩者結(jié)合制備復(fù)合電解質(zhì)是目前的解決之道。

本文貢獻(xiàn): - 貢獻(xiàn)一：系統(tǒng)闡明了鋰離子在LATP/聚合物復(fù)合電解質(zhì)中的多重傳輸機(jī)制，區(qū)分了聚合物鏈段運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)和陶瓷網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)的不同傳輸模式。 - 貢獻(xiàn)二：針對PEO、PVDF和新型聚合物基體，批判性地總結(jié)了填料改性、添加劑工程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提升性能的具體策略。 - 貢獻(xiàn)三：建立了材料微觀結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵性能指標(biāo)（如離子電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定窗口、楊氏模量）之間的聯(lián)系，為高性能復(fù)合電解質(zhì)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)原則。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)對象:

本研究為綜述性質(zhì)，分析對象為大量已發(fā)表文獻(xiàn)中的LATP/聚合物復(fù)合電解質(zhì)體系。其中核心材料為Li1+xAlxTi2-x(PO4)3（LATP，一種NASICON結(jié)構(gòu)的快離子導(dǎo)體陶瓷）和多種聚合物基體（如PEO、PVDF、PMMA等）。

測試條件: 綜述涵蓋了不同研究中的測試環(huán)境，主要關(guān)注參數(shù)包括室溫及高溫下的離子電導(dǎo)率、針對鋰金屬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口（ESW）、以及在不同倍率下的電池循環(huán)壽命。

研究方法

核心思路/總體框架:

文章采用分類討論的邏輯，首先從機(jī)理層面解釋離子如何傳輸，然后依據(jù)不同的聚合物基體類型，逐一分析LATP填料引入后的改性效果及界面優(yōu)化手段。

關(guān)鍵模型/理論基礎(chǔ) : 1. 聚合物鏈段運(yùn)動(dòng)理論：解釋低填料含量下，鋰離子主要依靠聚合物非晶區(qū)的鏈段蠕動(dòng)進(jìn)行傳輸。 2. 路易斯酸堿相互作用：利用LATP表面的路易斯酸性位點(diǎn)與聚合物或鋰鹽陰離子相互作用，促進(jìn)鋰鹽解離，增加自由鋰離子濃度。 3. 滲流理論：解釋當(dāng)LATP含量超過閾值（如70%）時(shí)，陶瓷顆粒相互接觸形成連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而主導(dǎo)離子傳輸。

結(jié)果與討論

Figure 2: 展示了不同類型的LATP/聚合物復(fù)合電解質(zhì)中的鋰離子傳輸路徑。該圖說明了離子可以通過聚合物鏈段、陶瓷晶格以及兩相界面進(jìn)行傳輸，且受多種參數(shù)影響。

Figure 3: 描述了PEO基復(fù)合電解質(zhì)中的離子傳輸模式及填料含量的影響。該圖揭示了低含量LATP主要通過降低聚合物結(jié)晶度來提升導(dǎo)電率，而高含量則依賴陶瓷本體傳導(dǎo)。

Figure 4: 展示了改善LATP/PEO界面的策略，如添加含氟添加劑和納米纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該圖說明了通過界面工程（如生成富含LiF的界面層）可以有效抑制副反應(yīng)并提升循環(huán)穩(wěn)定性。

Figure 5: 解析了LATP/PVDF體系中殘留溶劑的作用機(jī)制。該圖指出適量的殘留溶劑（如DMF）可以與鋰離子配位促進(jìn)傳輸，但過量會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的界面副反應(yīng)。

主要發(fā)現(xiàn):

1. 傳輸機(jī)制隨含量變化：當(dāng)LATP含量低于30%時(shí)，傳輸主要靠聚合物鏈段運(yùn)動(dòng)；當(dāng)含量極高（>70%）時(shí)，形成陶瓷連續(xù)網(wǎng)絡(luò)；中間比例時(shí)，界面層起到快速通道作用。 2. PEO基體的挑戰(zhàn)與對策：LATP能有效降低PEO結(jié)晶度，但LATP中的鈦元素容易被鋰金屬還原。通過表面包覆或添加含氟添加劑形成人工固體電解質(zhì)界面膜（SEI）是解決不穩(wěn)定的關(guān)鍵。 3. PVDF基體的特殊性：PVDF體系常含有微量溶劑，這些溶劑與鋰離子形成溶劑化復(fù)合物促進(jìn)傳輸，但也加劇了界面副反應(yīng)。利用LATP吸附溶劑或構(gòu)建雙層結(jié)構(gòu)可緩解此問題。 4. 新型聚合物的優(yōu)勢：PAN、PI等新型聚合物在阻燃性、機(jī)械強(qiáng)度或高電壓耐受性方面表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，通過聚合物共混可以實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)。

作者的解讀: 作者認(rèn)為，雖然LATP引入顯著提升了離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度，但界面穩(wěn)定性（尤其是針對鋰金屬負(fù)極的化學(xué)穩(wěn)定性）仍是短板。目前通過路易斯酸堿相互作用促進(jìn)鋰鹽解離、以及通過界面層設(shè)計(jì)阻隔副反應(yīng)是行之有效的手段。

結(jié)論

核心結(jié)論:

LATP/聚合物復(fù)合電解質(zhì)結(jié)合了無機(jī)陶瓷的高導(dǎo)電性與聚合物的柔韌性。通過精確調(diào)控LATP的含量、粒徑及表面性質(zhì)，并配合界面修飾（如人工SEI膜、緩沖層），可以顯著提升固態(tài)電池的離子電導(dǎo)率（達(dá)到mS/cm級(jí)別）和循環(huán)壽命。聚合物基體的選擇需根據(jù)具體的應(yīng)用場景（如耐高壓或高柔性）進(jìn)行匹配。

展望

可以改進(jìn)的地方:

目前對于LATP、聚合物、鋰鹽以及殘留溶劑之間復(fù)雜的微觀相互作用機(jī)制理解還不夠深入；電解質(zhì)與電極之間的固-固界面接觸仍存在物理接觸不良和化學(xué)副反應(yīng)的問題。

下一步的方向: 1. 利用原位表征技術(shù)（在電池工作過程中實(shí)時(shí)觀測材料變化的技術(shù)）深入揭示離子傳輸路徑和界面反應(yīng)機(jī)理。 2. 開發(fā)低成本、可規(guī)?；苽涞奶厥饨Y(jié)構(gòu)LATP填料（如納米纖維、3D網(wǎng)絡(luò)）。 3. 推動(dòng)復(fù)合電解質(zhì)向高電壓正極體系（如NCM、NCA）的應(yīng)用拓展，不僅僅局限于磷酸鐵鋰（LFP）。

文獻(xiàn)信息

原文標(biāo)題: Recent Advances in LATP/Polymer Composite Electrolytes for Solid-State Lithium Batteries 發(fā)表日期: 2025年6月 期刊/來源: Energy & Environmental Materials (Wiley) DOI鏈接: 10.1002/eem2.70090

本文所分享的原文內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)。原文著作權(quán)歸原作者所有，僅為分享優(yōu)質(zhì)內(nèi)容目的轉(zhuǎn)發(fā)，學(xué)習(xí)與討論，未用于商業(yè)盈利，若有侵權(quán)請聯(lián)系刪除。

獲取原文

夸克網(wǎng)盤分享

注：文中觀點(diǎn)僅供分享交流來源于網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)載文章的版權(quán)歸原作者所有，如涉及版權(quán)等問題，請您告知，我們將及時(shí)處理并刪除！

持續(xù)更新：典型電池包案例分析（奧迪etron、捷豹I-pace、大眾MEB、MODEL3、通用BOLT等）：

為什么選擇這套課程：

大家好，我是LEVIN老師，近10年專注新能源動(dòng)力電池包PACK系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電池包熱管理設(shè)計(jì)及CFD仿真。

該課程是全網(wǎng)唯一系統(tǒng)層級(jí)的PACK設(shè)計(jì)教程，從零部件開發(fā)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核一系列課程，重點(diǎn)關(guān)注零部件設(shè)計(jì)、熱管理零部件開發(fā)、電氣零部件選型等，讓你從一個(gè)小白從零開始入門學(xué)習(xí)新能源電池包設(shè)計(jì)。

新能源電池包技術(shù)）公眾號(hào)特惠，為方便大家提升，限量50份半價(jià)出售全套《新能源電池包PACK設(shè)計(jì)入門到進(jìn)階40講+免費(fèi)能分享篇》、《Fluent新能源電池包PACK熱管理仿真入門到進(jìn)階28講+番外篇》視頻課程，并送持續(xù)答疑！了解更多課程，加微信號(hào)詳詢：LEVIN_simu

說明：第5部分為免費(fèi)分享篇，部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)公開資料收集和整理，不作為商業(yè)用途。

解決動(dòng)力電池包MAP等效4C充電、熱失控?zé)嵋种啤?/span>恒功率AC/PTC滯環(huán)控制電路SOC模型設(shè)置教程；是目前市場上唯壹一套從PACK模型的簡化到熱模型建立和后處理評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)講解。希望能幫助到大家。

了解更多《動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)》、《starccm+電池包熱仿真課程》、《儲(chǔ)能系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與仿真課程》，
關(guān)注公眾號(hào)：新能源電池包技術(shù)
或加右方微信號(hào)：LEVIN_simu

---

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請讀者僅作參考，并自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。若對該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。