上海空間電源研究所湯衛平：新型固態電解質Li3Zr2Si2PO12制備

中國粉體網訊  NASICON型(Na Super-Ion Conductors)復合物在十九世紀六十年代首次被發現，經過Na_1+xZr₂Si_xP_3−xO₁₂類材料的發展后在1976年由Hong和Goodenough命名為“NASICON”。因具有不燃性、電導率高、電化學窗口寬和易加工等優點，NASICON型材料被認為是很適合高壓固態電解質電池的固體電解質。

在結晶化固體材料中，缺陷的多少及其內部分布狀況，決定離子遷移通道，按照Schottky和Frenkel點缺陷的離子擴散原理，包括有空位型，間隙型，間隙-取代交換型和集體型。

NASICON型化合物的分子式為AMˊMˊˊP₃O₁₂，其中A通常為一價傳輸陽離子，即一主族的堿金屬離子。Mˊ和Mˊˊ點位可以是二價(鋅、鎂、鎳等二價態等)、三價陽離子(鎘、鋁、鈧、鐵、銦和釔三價態等)，也可以是四價(鈦、鋯、鍺、錫四價態等)或五價陽離子(釩、釹、砷等)。除此之外，磷的位置也可被取代，磷氧多面體變為如硅氧、釩氧、多面體代替。在NASICON結構的化合物中，A為Li時，便得到了 NASICON型鋰離子電解質，通式為 Li(A₂P₃O₁₂)，其中A為Ti4⁺等四價陽離子。

影響NASICON電解質電導率的因素有很多，包括骨架離子[A₂P₃O₁₂]^-產生的離子通道與鋰離子半徑匹配程度，材料的致密度以及傳輸離子的濃度等。將Na₃Zr₂Si₂PO12 中的Na⁺換成Li⁺ ，就成為鋰離子電池固體電解質，但是直接取代得到的Li₃Zr₂Si₂PO₁₂ 鋰離子電導率很低，較Na₃Zr₂Si₂PO₁₂的鈉離子電導率低約3個數量級，原因即為Na₃Zr₂Si₂PO₁₂結構中原本適合Na⁺遷移的傳輸通道尺寸相對Li⁺太大，不適合Li⁺的遷移，解決方案是用不同大小的離子對結構骨架離子進行取代，進而改變傳輸通道尺寸。其中，Zr⁴⁺可以被 Ti⁴⁺、Ge⁴⁺、Hf⁴⁺、V⁵⁺或Sc³⁺取代，取代后的化合物仍具有NASICON 結構，而材料的鋰離子電導率得到大幅度提高。

由于該類型結構鋰快離子導體具有結構性質穩定、合成方便等特點，其作為高離子電導固體電解質將具有很好的應用潛力，然而其室溫電導率還有待進一步提升，因此提高NASICON結構類型材料室溫鋰離子電導率成為了研究開發的重點。

為深入了解NASICON型固態電解質，2022年2月22-23日，由中國粉體網主辦的“第三屆高比能固態電池關鍵材料技術大會”將于湖北武漢東方建國大酒店舉辦，屆時將邀請來自上海空間電源研究所的湯衛平研究員作《新型固態電解質Li₃Zr₂Si₂PO₁₂制備》報告。本報告主講人匯報利用Na⁺/Li⁺離子交換方法成功地把Na₃Zr₂Si₂PO₁₂轉化為Li₃Zr₂Si₂PO₁₂，形成了一類新型的鋰離子固態電解質。分析結果表明交換前后的結晶結構沒有發生變化，Na⁺和Li⁺離子的占位和傳輸路徑完全不同。Li₃Zr₂Si₂PO₁₂固態電解質的離子電導率達到3.6x10^-3S/cm，物理化學、電化學穩定性優異。

個人簡歷：

湯衛平，上海空間電源研究所副總工程師，研究員。研究領域涉及鹽湖鋰資源回收、固態鋰電池及其材料、儲能應用。主持參與國家重點研究計劃、國家863課題、國防科工局、上海市科委、青海省科委、廣東省科委等重點重大研發項目、以及登月、空間站等我國空間飛行器的化學電源預研工作。空間電源技術國家重點實驗室學術委員、《儲能科學與技術》、《電源技術》、《鹽湖研究》等雜志編委，中國固態離子學會理事。

參考資料：

1、黃禎，楊菁等. 無機固體電解質材料的基礎與應用研究 

2、肖雨. 固態電池用NASICON系電解質的制備與改性研究 

注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除

識別二維碼了解更多會議信息

會務組

聯系人：孔德宇

電話：13661293507（同微信）

Email:1760047578@qq.com