【固态锂电池专刊】固态锂二次电池关键材料中的空间电荷层效应：原理和展望

导读

文

郭向欣    （中国科学院上海硅酸盐研究所）

引  言

        空间电荷层是指在两相界面之间存在的电荷载流子浓度发生变化的区域。这个概念很早是 WAGNER提出并用于解释半导体两相界面的导电效应。随后，JOW等将其用于理解离子导体体系中的界面现象。在近20年的时间里，斯图加特马克斯-普朗克固态研究所的MAIER教授对空间电荷层做了大量系统和开创性的工作，基于热力学对缺陷化学的量化分析，对各种界面间空间电荷层效应的理解取得丰硕的成果。证明空间电荷层效应在固态离子传导过程中是一种重要现象，尤其在纳米尺度条件下。无论是在复合材料、多晶材料、还是异质结中，大量固态离子传输过程中空间电荷层效应的实例引起重视，离子电导不仅是数量级上的变化，而且导电类型也会发生变化。对于各种功能材料的电导率，有望通过界面的引入实现对电导率的调控，以满足应用方面的要求。

        近年来，由于在能量密度和安全等方面提升的巨大潜力，固态锂二次电池格外受人关注。不同于传统的商用二次锂离子电池，固态锂二次电池采用固体电解质，其中的关键问题是电解质与电极之间以及电极内部颗粒间固固界面问题。对于采用硫化物电解质的固态电池，所涉及到的空间电荷层效应已有很多讨论，但是对于更加深入的问题还有待进一步理解。在采用氧化物固体电解质的固态锂二次电池中，对空间电荷层及其作用的讨论还很少涉及。

        因此，本文将对固态锂二次电池中的空间电荷层及其效应做简要论述，希望能够引起对于这一问题的关注和认识，并逐步深入。本文的第一部分，将根据两相界面接触区域的缺陷浓度的变化简要描述空间电荷层效应的基础；第二部分，讨论发生在材料界面处的空间电荷层效应的典型例子；第三部分，探讨二次固态锂电池中的空间电荷层效应；第四部分，介绍二次固态锂电池中空间电荷层的表征方法；最后给出总结和展望。

目  录

1  两相界面附近空间电荷层的缺陷化学

2  典型界面的空间电荷层效应

3  在固态锂二次电池中的空间电荷层

      效应

4  固态锂二次电池中空间电荷层的精准

     表征

5  固态锂二次电池中空间电荷层效应

   的总结和展望

结  语

        界面处的空间电荷层效应涉及到两相边界附近载流子的再分布，此效应由空间电荷层电势所导致，来源于两相接触时热力学平衡的需求。从早期实验现象到定性和定量的理解，再到通过界面设计利用纳米技术调控电导率，包括复合物、多晶、多层膜异质结在内的许多体系证明了空间电荷层效应在载流子输运和储存中的重要作用。特别是在近期倍受关注的固态锂二次电池研究中，空间电荷层在界面电阻上表现出重要的影响，直接关系着电池的倍率性能。尽管在硫化物电解质和氧化物电极之间界面的空间电荷层得到较多的研究，但是氧化物电解质和氧化物电极之间、聚合物电解质和氧化物电解质之间以及聚合物电解质和氧化物电极之间界面处相关效应的研究仍处于起步阶段。无论是在电解质/电极界面还是复合电极内部界面，这种效应的存在对二次固态锂电池来说是关键问题，怎样深入理解并应用这一效应实现电池性能的提高无疑具有非常重要的意义，预期今后会有更多这方面的研究工作。

文章来源

陈骋等. 固态锂二次电池关键材料中的空间电荷层效应：原理和展望.《储能科学与技术》，2016，5（5）：668-677.