用于全固态电池和锂空电池的未来固态电解质的研究

The proposed project aims at to develop solid electrolytes that possess high conductivity, wide electrochemical potential window and good stability in air and moisture for all-solid-state batteries and Li-air batteries. Since NASICON and GARNET solid electrolytes possess those properties, they have demonstrated wide application future. Although with so many years study, the ionic conductivity of the ceramic-based electrolytes are still in the level of 0.0001 S/cm level, whereas real application of batteries requires ionic conductivity to be 0.001S/cm. Therefore one of the key studies in this project is to achieve the ionic conductivity to reach at least 0.001S/cm and hence to build the foundations for future applications. In this research we will use defects chemistry to design materials, and will design different experimental methodologies and technical method, including solid state solution process that is most suitable for expanded industries, melt-quench and melt-rolling techniques that can accurately control the thickness, and sol-gel method that can provide most active reaction. We will use advanced characterization techniques to characterise materials structures, identifies location of dopant ions, Li-ion distribution and Li-ion transportation. Through careful materials design with theoretical modelling, optimize processing and advanced characterization using high resolution TEM, synchrotron and neutron diffraction, ionic conductivity can be optimized through this project.

本项目是为高能量密度和高安全性的全固态电池以及锂空电池开发具有高电导率、宽电化学窗口、空气和湿度稳定的固态电解质材料。由于NASICON和GARNET电解质以上性能，所以具有广大的应用前景。尽管历经多年研究，陶瓷电解质的电导率仍然在10-4 S/cm的水准，而电池的实际应用要求电导率达到10-3 S/cm。因此，本项目的关键研究目标之一是提高电导率到10-3 S/cm的水准，进而为实际应用打下基础。我们将利用缺陷化学设计材料组份，设计不同的实验手段和技术路线包括易于工业化的固相法、能准确控制薄膜厚度的熔融-辊压法、能够获得纳米颗粒以及高活性粉体的溶胶-凝胶法等，通过先进的手段表征材料结构，掺杂离子位置，理解晶界对离子传输的影响，利用同步辐射、中子衍射等表征材料的结构，锂的分布，研究锂离子的传输机制。通过设计材料组分、优化制备、分析材料，从而优化材料性能，并且会结合理论计算指导材料的设计。

本项目旨在开发具有高电导率、宽电化学势窗口、良好空气稳定性与湿度稳定性的固体电解质材料，并有望应用于全固态电池和锂空气电池。项目重点研究了NASICON和GARNET结构固体电解质的设计、制备及应用等基础问题，这两类陶瓷基电解质材料具有诸多优点并且已表现出一定的市场应用前景。然而，到目前为止，陶瓷基电解质的离子电导率仍处于0.1 mS/cm的水平，远没有达到电池的实际应用要求（离子电导率在1 mS/cm水平）。因此，本项目的关键研究目标之一是提高NASICON和GARNET结构固体电解质的离子电导率至1 mS/cm水平，为将来的全固态电池和锂空气电池的实际应用打下坚实的材料基础。. 本项目中，我们使用了缺陷化学策略来设计材料，利用不同的实验方法和技术方法来制备固体电解质材料，主要包括最适合放大生产的固态熔融工艺，可以精确控制固体电解质组成与尺寸的熔融-淬冷和熔融-轧制技术，以及反应活性高的溶胶-凝胶法。本项目成功制备了三类电解质，分别是基于Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3组成的NASICON型电解质、基于Li7La3Zr2O12组成的GARNET结构电解质以及有机/无机复合电解质，并进行了深入的研究。经过精细的材料设计及优化处理，所获得的固体电解质的离子电导率得到大幅提高，Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3和Li7La3Zr2O12的离子电导率接近1 mS/cm，而复合电解质的离子电导率已经达到了1 mS/cm的水平。在本项目的资助下，我们的研究工作已经超出了最初的预期目标，同时我们已经制备得到了可以在室温下完成充电/放电的全固态电池。. 本项目累计发表SCI研究论文19篇，另外有1篇论文已经接收发表，1篇论文正在修改过程中。由于在固体电解质方面的出色工作，我们受邀在重要国际会议上做大会特邀报告、主题报告和邀请报告以交流相关工作。