傳統(tǒng)的商業(yè)鋰電子采用液態(tài)有機電解液，在過充、短路或濫用等情況下，易發(fā)熱進而導(dǎo)致電池脹氣、自燃甚至爆炸，存在安全隱患。在能源密度不斷提升的情況下，以上問題更為突出。與之相比，以氧化物固體電解質(zhì)為核心的固態(tài)鋰電池，不僅無毒對環(huán)境友好、不含易燃易揮發(fā)的有機液體組分，而且在提高能量密度的同時可保障電池的安全，已成為新一代高能量密度電池體系研究關(guān)注的焦點。

其中，石榴石型氧化物鋰鑭鋯氧（Li7La3Zr2O12，LLZO）由于其具有電化學(xué)窗口較寬、室溫離子電導(dǎo)率較高，且對金屬鋰化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點更加受到關(guān)注。但它在界面等方面也存在明顯不足。為此，青島大學(xué)郭向欣研究團隊聯(lián)合北京科技大學(xué)范麗珍教授和清華大學(xué)南策文院士，針對LLZO自身的特點，提出了怎樣實現(xiàn)實用化LLZO固態(tài)電池的新觀點和策略。該綜述文章于4月19日發(fā)表在Cell Press細胞出版社旗下能源旗艦期刊Joule（《焦耳》）上。

針對LLZO的應(yīng)用前景、還需解決的瓶頸問題，以及不同LLZO固態(tài)鋰電池在應(yīng)用時應(yīng)注意的問題等，Cell Press特別專訪了本文通訊作者之一清華大學(xué)南策文院士。

關(guān)于南策文院士

中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士，清華大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院院長，兼任中國硅酸鹽學(xué)會副理事長等，曾任國際陶瓷聯(lián)盟（ICF）理事長、亞洲電子陶瓷協(xié)會主席。主要從事固態(tài)電池、多鐵材料、柔性功能復(fù)合材料的研究。迄今發(fā)表學(xué)術(shù)論文700余篇，被SCI他人引用20000多次；出版學(xué)術(shù)專著1部；獲授權(quán)國家發(fā)明專利40項。曾獲國家自然科學(xué)二等獎1項、省部級獎3項、國外獎勵2項等。

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標準

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

點擊詳情

作者專訪

Cell Press：請您介紹一下固態(tài)電解質(zhì)對比傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢所在，以及四種典型固態(tài)電解質(zhì)的特點。

南策文院士：一般而言，與液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)電解質(zhì)具有不揮發(fā)、不燃燒、不流動及耐壓力等方面的優(yōu)勢。因此，采用固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池在安全性方面具有明顯的優(yōu)勢。而且更為重要的是，通過電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計固態(tài)電池在保證安全性的情況下在能量密度的提高方面具有極大的潛力。

石榴石型氧化物（LLZO）、NASICON型氧化物、硫化物和聚合物固體電解質(zhì)是目前受關(guān)注較多的四種典型固體電解質(zhì)材料。它們各自具有自己的特點。例如聚合物電解質(zhì)具有柔性易加工的優(yōu)點，但是離子電導(dǎo)率較低；硫化物具有可與液體電解液相比擬的離子電導(dǎo)率，但是對空氣極為敏感；NASICON氧化物雖然離子電導(dǎo)率不高，對金屬鋰也不穩(wěn)定，但是可以耐受水的侵蝕；石榴石型氧化物（LLZO）在空氣中相對穩(wěn)定，離子電導(dǎo)率介于硫化物和聚合物之間，對金屬鋰化學(xué)穩(wěn)定，但是具有剛性導(dǎo)致的界面不易處理。

Cell Press：在四種典型的固態(tài)電解質(zhì)中，您是否認為LLZO最具應(yīng)用前景？具體原因是？

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標稱電壓：28.8V
標稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

點擊詳情

南策文院士：在以上四種典型的固體電解質(zhì)材料之中，LLZO的綜合性能最為優(yōu)異，可以說最具應(yīng)用前景。具體原因包括：LLZO具有的離子電導(dǎo)率以及可達到的面電阻可以滿足應(yīng)用的需求；LLZO粉體材料可以在大氣環(huán)境下實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；LLZO在化學(xué)上對鋰金屬穩(wěn)定，為鋰金屬負極的使用提供了可能，LLZO的電化學(xué)窗口寬，可以和高電壓正極相匹配，這些都為高能量密度固態(tài)電池的實現(xiàn)提供了材料基礎(chǔ)；而且近幾年來，越來越多的研究人員關(guān)注LLZO的研發(fā)，澄清了很多制約LLZO應(yīng)用的瓶頸問題的關(guān)鍵機理，并給出了切實可行的解決方案。

Cell Press：您在綜述中也提到LLZO如果投入實際應(yīng)用還存在許多瓶頸問題亟待突破。您能否具體介紹一下有哪些問題？

南策文院士：在投入實際應(yīng)用之前，還需解決的瓶頸問題主要集中在以下方面：a)LLZO與鋰金屬之間的界面問題。研究表明，鋰金屬與LLZO界面之間存在不浸潤導(dǎo)致的接觸電阻大，以及鋰金屬不均勻沉積導(dǎo)致的鋰枝晶穿透的嚴重問題。這要求在兩者之間生長一層均勻的高離子導(dǎo)通并具有極低電子導(dǎo)通的中間層；b)LLZO電解質(zhì)層內(nèi)阻的不斷減小。電池的內(nèi)阻足夠小才能保證電池實際能量密度和倍率性能的不斷提高，這就要求不斷提高固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率或不斷減小電解質(zhì)層的厚度；c)LLZO與高電壓正極之間的界面問題。怎樣保證固態(tài)電解質(zhì)和正極材料之間界面的良好電接觸，以及循環(huán)過程中界面電接觸的穩(wěn)定是亟需解決的問題。

Cell Press：您認為應(yīng)用型LLZO陶瓷基固態(tài)鋰電池及LLZO柔性復(fù)合膜固態(tài)鋰電池在應(yīng)用時應(yīng)分別注意哪些問題？

南策文院士：對于應(yīng)用型的LLZO陶瓷基固態(tài)鋰電池，需要關(guān)注以下問題：a)LLZO陶瓷片的室溫面電阻需要小于50  ohm cm2，即室溫離子電導(dǎo)率10-3 S cm-1 陶瓷片的厚度需要小于500 um；b)Li/LLZO之間的界面需要高離子導(dǎo)通相融性中間層；c)復(fù)合正極內(nèi)部界面中間層應(yīng)同時具有高離子和電子導(dǎo)體性，同時通過有限度的反應(yīng)發(fā)揮固體電解質(zhì)和正極材料界面融合劑和應(yīng)力釋放作用；d)復(fù)合正極/LLZO陶瓷片之間需要高離子電子共導(dǎo)通的相融性中間層，同時發(fā)揮相融和釋放應(yīng)力的作用。

對于應(yīng)用型的LLZO柔性復(fù)合膜固態(tài)鋰電池，需要關(guān)注的問題包括：a)LLZO柔性復(fù)合膜室溫面電阻需要小于50 ohm cm2，對于室溫離子電導(dǎo)率10-4 S cm-1 的柔性膜厚度需要小于50 um；b)LLZO柔性復(fù)合膜與金屬鋰接觸的部分為高導(dǎo)通離子導(dǎo)電層，與正極接觸的部分應(yīng)兼具離子和電子高導(dǎo)通特性；c)LLZO柔性復(fù)合膜與正極接觸的部分在工作條件下，耐氧化能力應(yīng)大于5V。

Cell Press：您認為還需要多久LLZO固態(tài)鋰電池才能投入實際應(yīng)用？

南策文院士：一般說來，LLZO固態(tài)鋰電池可以在未來的5-10年投入實際應(yīng)用。在特殊的應(yīng)用場合，例如醫(yī)用或特種高溫電池，可能LLZO固態(tài)鋰電池會更早地進入應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的進步，以及研究人員對固態(tài)電池認識的不斷加深，都會縮短LLZO固態(tài)鋰電池投入實際應(yīng)用的時間。

Cell Press：您的團隊目前圍繞LLZO固態(tài)鋰電池還在進行哪些研究？預(yù)期達到的目標是？

南策文院士：我們的團隊圍繞LLZO固態(tài)鋰電池一方面開展固態(tài)電解質(zhì)層電導(dǎo)率、電解質(zhì)與電極材料界面基礎(chǔ)科學(xué)的深入研究，另一方面開展大容量LLZO陶瓷基固態(tài)鋰電池和LLZO復(fù)合柔性電解質(zhì)膜固態(tài)鋰電池模塊的制備技術(shù)研究。預(yù)期達到的目標是在揭示關(guān)鍵科學(xué)機理的同時，提高LLZO固態(tài)鋰電池的制備技術(shù)和性能表現(xiàn)，使其盡快達到可應(yīng)用的水平。