锂电池基础科学问题_离子在固体中的输运_郑浩

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1、第2卷第6期储能科学与技术Vol.2No.62013年11月EnergyStorageScienceandTechnologyNov.2013专家讲座锂电池基础科学问题（VI）——离子在固体中的输运郑浩，高健，王少飞，李泓（中国科学院物理研究所，北京100190）摘要：充放电过程中，锂离子需要在电极活性材料、电极与液态电解质接触界面产生固体的电解质层，全固态电池中的固体电解质以及导电添加剂、黏结剂、活性颗粒形成的固固界面传输。一般而言，固相内部及固相之间的离子传输是电池动力学过程中相对较慢的步骤，因此离子在固体中的传输是锂电池材料研究的重要基础科学问题。本文小结

2、了固体离子学基础知识中关于离子在固体中的传输机制、驱动力、影响离子电导率的几种因素等方面的内容，简介了锂离子在正极、负极、固态电解质中的输运特性，讨论了内源锂和外源锂输运特性的差异以及尺寸效应对于离子输运性质的影响。关键词：离子；电导率；输运；锂离子电池；缺陷；扩散doi：10.3969/j.issn.2095-4239.2013.06.010中图分类号：O646.21文献标志码：A文章编号：2095-4239（2013）06-620-16Fundamentalscientificaspectsoflithiumbatteries(VI)—Ionictransp

3、ortinsolidsZHENGHao，GAOJian，WANGShaofei，LIHong（InstituteofPhysics，ChineseAcademyofScience，Beijing100190，China）Abstract：Operatingoflithium-ionbatteriesincludestransportoflithiumioninanode,cathodeandsolidelectrolyteinterphase.Itisimportanttodeterminethepropertiesofionictransportinsolid

4、statematerials.Inthispaper,generalionictransportmechanismsinsolids,drivingforceofionmotions,andfactorsaffectingionicconductivitiesaresummarizedbriefly.Differencesinthetransportpropertiesbetweenintrinsiclithiumioninlatticeandexternallithiumionthroughlatticeorgrainboundariesandthesizee

5、ffectarebrieflydiscussedaswell.Keywords：ion；conductivity；transport；lithium-ionbattery；defects；diffusion①锂离子电池中的电化学反应包括电荷转移、相固体包括有序固体和无序固体。高度有序没有变与新相产生以及各种带电粒子（包括电子、空穴、缺陷的材料为单晶固体，没有周期性结构的材料为锂离子、其它阳离子、阴离子）在正极和负极之间无定形材料，或称之为玻璃类材料。混合了有序与的输运。由于离子在固相中的传输一般是电池工作无序结构的为多晶固体。锂离子电池中的电极材料中最慢的步骤，

6、因此，提高电池的实际输出能量密多为粉末材料，一般不采用大块单晶，个别厂家的度、倍率特性、能量效率，控制自放电率均需要准粉末材料产品单个颗粒结晶度很高，为单晶小颗粒。确了解和调控离子在固体中的输运特性。多数的商品电极材料为包含缺陷的多晶粉末材料。在采用液态电解质的锂离子电池中，一般在正负极收稿日期：2013-10-14；修改稿日期：2013-10-21。与电解质接触的表面还生长一层或多层固体电解质基金项目：中国科学院知识创新工程方向性项目（KJCX2-YW-W26）和国家重点基础研究发展计划（973）项目（2012CB932900）。膜（SEI），在充放电过程中，

7、锂离子必须通过这层第一作者：郑浩（1987—），男，博士研究生，研究方向为锂离子电池SEI膜。SEI膜层有多种成分形成的无定形结构（参薄膜材料及界面输运问题，E-mail：nbzhenghao@gmail.com；通讯联系见《储能科学与技术》本系列文章V）。全固态锂电人：李泓，研究员，研究方向为固体离子学与锂电池材料，E-mail：hli@iphy.ac.cn。池使用固态材料作为电解质。固体电解质材料包括第6期郑浩等：锂电池基础科学问题（VI）——离子在固体中的输运年621无机固体、聚合物固体及其复合物，其中既有多晶菲克第一定律（Fickfirstlaw）描述了

8、浓度梯度材料和无定形材料