固態鋰電池材料篩選與性能優化研究

中圖分類號：U465 收稿日期：2025-01-12 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.05.026

Research on Screening and Performance Optimization of Solid-State Lithium Battery Materials

Wang Guiyang Guizhou Institute of EngineeringVocational and Technical College，Tongren 5652O0，China

Abstract：Withtherapiddevelopmentofthenewenergyvehicle industry，solid-state lithiumbatteries havebeenregardedasthe idealpowerbateresforfutureelectricveiclesduetotheadvantagessuchasgheergydensityongyclelife，ndexcellte ty.Thisstudyfirstelucidatestheimportantroleofsolid-statelitiumbateriesinimprovingvehiclerangeandensuringdrivingsafety， andanalyzes tekeyfactorsinsrenngkeymaterialsforsolid-stateitiumbateries.Inordertofurtherenhancetheperformanceof solid-statelitiumbateries，strategiesforimprovingteionicconductivityofsolidlectrolytesandoptimiingtheintefcebetween electrodesandelectrolytesareproposed，providingtheoretical guidanceandtechnicalroadmapfortheselectionandperformanceoptimizationof solid-state lithiumbatterymaterials for future vehicles.

Keywords：Solid-statelithiumbattery;Materialsreening;Peformanceoptimization;IoncconductivityInterfaceotzation

1前言

近年來，全球能源挑戰和環境壓力日益加劇，電動汽車作為一種高效、環保的交通出行工具，其發展已成為全球汽車產業的戰略重點方向。固態鋰電池因其卓越的性能，被視為推動電動汽車產業實現跨越式發展的關鍵技術。與傳統的液態鋰離子電池相比，固態鋰電池采用無機固體電解質代替易燃易爆的有機液態電解質，不僅解決了安全隱患，還能將正負極材料的選擇范圍拓展至金屬鋰等高能量密度材料，從而大幅提升電池的比能量[1]。

然而，目前固態鋰電池尚未能實現大規模商業化應用，究其原因在于當前材料體系存在離子傳導性差、界面相容性差等一系列問題制約了電池的整體性能。針對性研究汽車固態鋰電池性能優化策略，對于實現固態鋰電池的性能突破至關重要，也是推動電動汽車產業跨入新能源時代的基礎和關鍵。

2汽車固態鋰電池的重要性

汽車固態鋰電池作為新一代電動汽車能源解決方案，對于提高能源密度和安全性，推動環境可持續性和技術創新具有極其重要的戰略意義和應用前景。

在提高能源密度和安全性方面，固態鋰電池使用固態電解質代替了傳統鋰離子電池中的液態電解質，材料的變化帶來了多重優勢[2]。首先固態電解質具有更高的化學穩定性和機械強度，可以在更高的電壓和更廣的溫度范圍內穩定工作，表1所示為固態電解質與液態電解質的熱穩定性對比。

通過表1可知，固態電解質的熱穩定性在 300^cC 以上，顯著高于傳統液態電解質的熱穩定性。固態電解質較高的熱穩定性極大地提高了電池的能量密度，使得相同體積或重量的固態鋰電池能夠提供比傳統鋰電池更長的續航里程，減少長距離行駛中途充電的次數，從而更好地滿足用戶需求。相比于液態電解質，固態電解質泄漏的風險更低，在電池損壞或操作不當時引發火災或爆炸的可能性也更小，極大地提升了車輛的安全性，為消費者提供了更高的使用信心，也降低了電動汽車制造商和用戶可能面臨的安全相關法律風險和保險成本。固態鋰電池可以使用鋰金屬作為負極材料，相比于傳統的石墨負極比容量，鋰金屬比容量明顯較高，從而顯著提升固態鋰電池的能量密度，鋰金屬與石墨比容量對比如圖1所示。

推動環境可持續性和技術創新方面，由于固態鋰電池的高能效和長壽命特性，使得在固態鋰電池使用過程中生成的廢物和環境負擔相對較低。長壽命意味著電池更換的頻率降低，從而減少了資源消耗和廢物產生，有助于減輕電池生產和回收過程中的環境壓力。固態電池因其優異的性能成為推動汽車電動化和智能化的關鍵技術之一，隨著電動汽車對減少碳排放和提高能源效率的貢獻日益凸顯，固態鋰電池技術的成熟和普及將在全球范圍內推動電動汽車更為廣泛地應用，加速向低碳經濟的轉型。

3汽車固態鋰電池材料篩選因素分析

根據上文可知，汽車動力電池的性能直接決定了電動汽車的續航里程、充電時間、環境適應能力等核心指標，而電池性能則主要取決于內部材料的內在屬性。因此，合理選擇滿足一系列嚴格要求的正負極材料、電解質材料及界面材料是汽車固態鋰電池實現性能突破的前提，為實現汽車動力固態鋰電池的技術突破奠定基礎。

3.1離子傳導性能

在汽車固態鋰電池的研發與應用中，離子傳導性能是決定固態電解質材料是否適合商業化應用的關鍵因素之一，離子傳導性能直接影響電池的充放電效率、功率密度以及工作溫度范圍，是影響固態鋰電池能否在汽車行業廣泛推廣的重要指標[3]。

離子導電率的高低是評判材料離子傳導性能好壞的重要依據。離子導電率是衡量固態電解質材料能夠有效傳導鋰離子的能力，是確保電池性能的基礎。高離子導電率意味著鋰離子可以快速在電池的正負極之間移動，從而提高電池的充電速度和放電效率。理想的固態電解質材料應當具有接近或超過液態電解質的離子導電率，以滿足快速充放電的需求。然而，許多固態材料的離子導電率在室溫下相對較低，極大地限制了固態電池在低溫環境下的應用，同時也影響了電池的整體性能。

除了離子導電率以外，離子傳導機制的穩定性也是材料篩選中的一個關鍵因素。固態電解質在電池運行過程中需保持離子傳導路徑的穩定性，避免因溫度變化、機械應力或長時間使用導致結構變化，這些變化可能會導致離子傳導路徑受阻，從而影響電池的性能和壽命。穩定的離子傳導機制可以保障電池在各種操作條件下都能保持高效的充放電性能，尤其是在汽車應用中，動力電池需要經常在不同的溫度和壓力條件下工作，因此汽車固態鋰電池電解質材料必須能夠適應各種操作條件，確保不發生性能退化。

離子傳導性能在汽車固態鋰電池材料篩選中至關重要，高離子導電率和穩定的離子傳導機制不僅是提高電池性能的關鍵，也是確保電池在汽車應用中長期安全和可靠運行的基礎。

3.2電化學穩定性

在汽車固態鋰電池的開發中，電化學穩定性也是篩選汽車固態鋰電池材料的核心要素之一，電化學穩定性決定了電解質材料在電池的充放電過程中能否維持化學和結構的完整性，不與電極材料發生不良反應，直接影響電池的安全性、壽命及其在極端條件下的性能。

電解質與電極材料的化學兼容性是材料電化學穩定性的重要體現。在固態鋰電池中，電解質材料必須能夠與電極材料保持良好的化學兼容性，確保在電池的整個工作電壓范圍內，電解質不與電極發生化學反應，也不會分解產生副產品。例如，固態電解質在與高電壓正極材料接觸時，如果電解質材料不具備足夠的化學穩定性，可能會在電極界面處發生分解，生成電化學活性的副產物，不僅影響電池的能量密度，還會導致電池內部短路或熱失控的安全風險。因此，在篩選電解質材料時，確保其在預期的工作電壓窗口內具有良好的化學穩定性是至關重要的。

電解質結構穩定性與電化學窗口廣泛性同樣是評判固態鋰電池材料的電化學穩定性的關鍵指標。電解質的結構穩定性是指在電池充放電過程中，電解質能否保持其晶體或非晶體結構不發生破壞，直接影響材料長期的電化學性能，包括離子傳導性能和離子選擇性。結構不穩定的電解質在重復的充放電循環中可能會發生相變或晶格崩塌，不僅會導致離子傳導路徑受阻，還可能引起電解質與電極材料之間的不良化學反應。此外，電解質的電化學窗口廣泛性也是評估材料電化學穩定性的重要指標。電化學窗口廣泛的電解質材料可以保證電池材料在更高或更低的電壓條件下工作而不發生分解，對于提高電池的能量密度和適應不同化學體系的電極材料具有重要意義。在電解質的篩選過程中，研究人員必須考慮材料的結構穩定性和電化學窗口，選擇能夠在預期電壓范圍內穩定工作的電解質材料，以確保電池的高效性和安全性。

通過分析可知，離子傳導性能以及電化學穩定性是固態鋰電池材料篩選中至關重要的考量，在選擇適合用于汽車固態鋰電池的電解質材料時，研究人員必須綜合考慮綜合因素，確保材料在實際應用中的表現能滿足嚴格的行業標準，為電動汽車行業帶來更安全、更高效的電池解決方案。

4汽車固態鋰電池性能優化策略

通過對汽車固態鋰電池關鍵材料的篩選因素分析，可以發現離子傳導性能、電化學穩定性等是影響電池性能的關鍵因素，在進行材料選擇的基礎上還需要針對性地提出一系列性能優化策略，才能更進一步推動汽車固態鋰電池的整體性能提升。

4.1提升固態電解質離子導電性

提升汽車固態鋰電池中固態電解質的離子導電性是實現電池性能優化的關鍵策略之一。離子導電性高的電解質可以有效減少能量損失，提高電池的充電效率和功率輸出，進而延長電池的使用壽命。

首先，材料的選擇與化學改性可以有效提升固態電解質離子導電性。選擇合適的電解質材料是提升固態電解質離子導電性基礎。目前，固態電解質主要包括硫化物、氧化物、磷酸鹽和某些聚合物基材料。其中硫化物電解質（如 Li₁₀GeP₂S₁₂ 因其離子傳輸機制和較寬松的晶格結構，可以提供高達 10^-2s/cm 的離子導電率而備受關注，但硫化物電解質穩定性和兼容性較差[4]。氧化物電解質雖然化學穩定性較強，但其離子導電性相對較低。為此，通過摻雜或引人異質原子（如鋰離子的替代材料或添加微量的異種離子）來改變電解質的晶體結構，可有效提高固態電解質材料的離子傳輸率。如在石榴石型固態電解質材料LLZO （Li₇La₃Zr₂O₁₂） 中摻入鋁（AI）或鈕（Ta）來替代部分鋯 （Zr） ，可以形成更穩定的立方相結構并減少晶界阻礙，通過增加材料的離子無序度和提供更多的離子遷移通道來增強離子導電性，摻雜后的電解質材料化學式為 Li₇La₃Zr_1.9Al_0.1O₁₂ 。對于氧化物基固態電解質，通過摻雜如鑭（La）、釔（Y）等稀土元素可以有效增加材料的離子導電性。摻雜后的離子導電性可以通過以下公式來估算：

式中， σ 為電解質的離子導電性； σ₀ 為前因子； E_a 為離子遷移的活化能； k 為玻爾茲曼常數； T 為絕對溫度。通過摻雜減小 E_a ，可以顯著提高 σ 。

除調整材料的化學組成外，電解質的微觀結構設計也是提升離子導電性的有效途徑[5]。通過控制電解質的晶粒大小、形狀和分布，從而優化離子的傳輸路徑，減少晶界或相界對離子傳輸的阻礙。例如，納米化電解質材料可以提供更多的離子傳輸通道，降低界面阻抗。同時，通過構建三維有序的微孔結構或增加材料的孔隙率，可以為離子傳輸提供更佳的路徑，從而提高材料整體的離子導電性。此外，采用層狀或框架結構的電解質材料，如采用層狀氧化物或某些類型的聚合物，也能有效提升離子導電路徑的直接性和連續性。

4.2優化電極與電解質界面

在汽車固態鋰電池的性能優化中，電極與固態電解質界面的優化是提高電池性能的關鍵因素之一。良好的界面接觸能夠確保有效的離子傳輸和電子流動，從而提高電池的能量輸出和循環穩定性。

界面工程和表面改性對于優化電極與電解質界面具有顯著作用。界面工程是通過物理或化學方法改善電極和電解質之間的接觸質量和離子傳輸效率6。例如，采用原子層沉積（ALD）技術在電極表面形成一層超薄、均勻的導電或親離子層，可以顯著提高界面的離子導電性和電子導電性。具體可以在負極材料如硅（Si）或錫 （Sn） 表面沉積一層氧化物或氮化物，如 Li₃PO₄ 或LiPON，不僅提高了界面的化學穩定性，還可以通過其特定的晶體結構促進離子遷移。界面優化可以通過以下公式表示：

式中， σ_total 為總的電解質導電性； σ_bulk 為電解質本體的導電性； σ_interface 為界面的導電性。通過優化界面的導電性，可以顯著提高整個電池的離子導電性。

界面壓實技術與納米結構設計同樣對于優化汽車固態鋰電池電極與電解質界面至關重要。界面壓實技術通過使用高壓熱壓等方法，提高電極和電解質之間的物理接觸面積，確保電解質和電極材料之間無空隙，降低界面阻抗，從而改善界面的導電性和機械穩定性。另外，設計合理的納米結構也是提升界面性能的有效途徑。例如，通過構造具有多孔或纖維狀結構的電極材料，可以增加與電解質的接觸面積，提供更多的離子傳輸通道，同時也有助于緩解充放電過程中由于體積變化引起的應力，電極和電解質接觸面積可以用公式表示為：

式中，A為電極和電解質接觸面積； V 為電解質體積； d為電極材料直徑。

根據公式可知，通過減小電極材料的直徑 d ，可以顯著提高電極和電解質的接觸面積A。利用界面工程和表面改性以及界面壓實技術與納米結構設計，可以有效優化汽車固態鋰電池電極與固態電解質之間的界面，從而提升固態鋰電池的整體性能。

綜上所述，通過提升固態電解質離子導電性以及優化電極與電解質界面，不僅提高了電池的能量密度和充放電效率，還有助于提高電池的安全性和循環壽命，對于推動固態鋰電池技術的進一步成熟，以及電動汽車行業向更高效能和更安全的方向發展具有重要意義。

5結語

汽車固態鋰電池作為新一代高能量密度動力電池，其關鍵材料的合理選擇和性能優化是推動電動汽車產業實現綠色智能化轉型的重中之重。本研究從離子傳導率、電化學窗口、界面相容性等多個角度系統分析了固態鋰電池材料篩選的重要因素，并在此基礎上提出了一系列提高電解質離子電導率、擴展正負極材料電壓窗口等優化策略，為固態鋰電池的整體性能提升提供了發展方向。

未來，隨著固體電解質離子電導機理的深人理解、高電壓電極材料的開發以及人工界面層的構筑等技術的不斷突破，汽車固態鋰電池將進一步實現比能量的大幅提升和更高的安全性，助力汽車產業向綠色、智能、節能的新能源時代邁進。

參考文獻：

[1]李泓，陳立泉.固態電池關鍵材料體系發展研究[J].中國工程科學，2024，26（3）：19-33.

[2]王朝江.新能源汽車電池實驗技術及均衡電路設計[J].專用汽車，2023（6）：96-98.

[3]李文俊，徐航宇，楊琪，等.高能量密度鋰電池開發策略[J].儲能科學與技術，2020，9（2）：448-478.

[4]和志勇.延長新能源汽車電池的使用壽命因素分析[J].專用汽車，2023（8）：77-79.

[5]吳瀟，張雅飛，彭順金.一種鋰電池用固態聚合物電解質結構與性能研究[J].膠體與聚合物，2024，42（2）：65-68.

[6]范信娥.固態鋰電池電解質體系開發及其電化學性能研究[D」.南昌：南昌大學，2023.

作者簡介：

王貴楊，男，1994年生，助教，研究方向為新能源汽車技術專業的教學方法與課程體系建設。