陶瓷硫化物及氧化物固態電解質之應用瓶頸及解方 - 材料世界網

然而，不論硫化物或是氧化物固態電解質材料本身缺陷或是加工應用於電池之 ... 有機類和有機無機複合聚合類固態電解質實際應用於固態電池的優缺點。

首頁 文章瀏覽 劉佳兒、游淑君、廖世傑、陳金銘／工研院材化所；廖譽凱、劉如熹／臺灣大學化學系；胡淑芬／臺灣師範大學物理學系   隨著各式電子用品及設備遍布人類生活各層面，可充放電儲能裝置之規格要求大幅提升，固態鋰電池被視為最可能達到高能量密度、高功率以及高安全性儲能目標之下世代儲能裝置。

固態鋰電池之關鍵組件即為固態電解質材料。

近年來，各界投入相當龐大之研發能量開發無機固態電解質。

然而，不論硫化物或是氧化物固態電解質材料本身缺陷或是加工應用於電池之相關技術，仍有許多瓶頸需要突破，例如：硫化物固態電解質之電化學穩定性較差、固態電解質與正負極材料之界面阻抗過高以及副反應問題，同時鋰枝晶問題仍無法徹底解決，而氧化物固態電解質則有加工成本過高的問題，以上等等皆是固態電池尚無法產業化之原因。

本文將就硫化物及氧化物固態電解質之應用技術議題，整理出數個文獻介紹的解決方案供讀者參考。

  【內文精選】 前　言 高機械強度之陶瓷電解質取代隔離膜，將有助抑制鋰枝晶生長，避免鋰枝晶刺穿隔離膜造成正負極短路、電池失效。

而易揮發且易燃之有機電解液在高溫環境極易起火燃燒，全固態電池以導離子陶瓷材料取代液態電解液，使得電池發生短路時，缺乏燃料而抑制內部熱暴走現象產生，大幅提升電池之安全性。

提高能量密度方面，陶瓷電解質材料之電化學電位視窗較寬，可搭配較高電壓之正極材料，負極方面則可以使用鋰金屬取代傳統之碳負極材料，因而提高電池之能量密度。

  另外，採用固態電解質(SSE)可實現多組正負極內部串聯於一個電芯殼中，相較於傳統液態電解液之鋰離子電池必須單電池芯獨立包裝，再進行多電池串並形成模組的電池設計，節省了許多包裝材的重量以及體積。

同時，因為陶瓷固態電池於高溫環境性能更加優異，便可簡化甚至無需配備電池模組之散熱系統，直接提升電池模組之重量能量密度及體積能量密度。

以上種種原因顯示，固態電池將為鋰電池之規格迎來革命性突破。

然而，實際上固態電池還存著許多技術問題需要克服，例如：固態電解質的量產合成、固態電解質膜緻密成型及薄化、界面接觸問題、固態電池生產工藝等，因此目前絕大多數固態電解質材料仍屬小量商業化階段，而全固態電池更僅止於實驗室探索階段。

  固態電解質主要可以分為硫化物、氧化物以及有機聚合物三大類，關於各類固態電解質之成分、結構以及導離子機制等介紹，近年於本刊已有著墨，此文將著重於固態電解質之優缺點以及加工應用性能和量產技術等實際操作面向做討論。

圖一顯示無機陶瓷類（包含氧化物及硫化物系列）、有機類和有機無機複合聚合類固態電解質實際應用於固態電池的優缺點。

  圖三、圖示電池組裝步驟。

步驟一：將磷酸鋰鐵正極極板與LAGP/30%PPC-SCE(SolidCompositeElectrode)堆疊並熱壓組成電池LiFePO4-SCE||LiCell，附上SEM剖面圖；步驟二：於固態電解質另一面貼合鋰金屬，並進行充放電以產生氟化鋰緩衝層   工研院全陶瓷固態電池之界面研究 工研院與台大化學系劉如熹教授及台灣師範大學物理學系胡淑芬教授合作，以原子層沉積法(ALD)製備7nm厚度之氧化鎳(NiO)界面層，作為鋰金屬與LLZTO固態電解質間之緩衝，成功抑制副反應、降低其界面接觸阻抗。

ALD之製程條件為腔體加熱至200˚C，並通入氮氣，流速為20sccm，並脈衝水0.015秒後等待15秒，再脈衝鎳前驅物(NickelAlkylAmidinate)0.75秒後再靜置25秒，即可完成一次沉積製程，每次沉積氧化鎳分子層厚度約為0.43Å。

  圖十六為沉積氧化鎳7奈米於LLZTO上之掃描式電子顯微鏡(SEM)之表面形貌，表面上具一層氧化物覆蓋，且整體表現均勻，經EDXMapping分析證實具鎳元素，且訊號顯示鎳元素分布均勻。

圖十七為塗佈不同厚度之NiO緩衝層之固態電解質與鋰金屬對貼，進行阻抗量測研究…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。

  圖十七、塗佈不同厚度之NiO界面層於LLZTO固態電解質錠片之界面阻抗量測   ★本文節錄自《工業材料雜誌》411期，更多資料請見下方附檔。

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