目前液體鋰電池已幾乎接近極限，固態鋰電池是鋰電發展的必經之路（必然性）¹。固態電池最合作的部件為固態電解質(Solid Electrolyte)，與傳統液體電解質不同，對于固態電解質電化學性能的評價需要新的方法與評價維度。從2021年12月26日發布實施的T/SPSTS 019—2021團體標準《固態鋰電池用固態電解質性能要求及測試方法》可以看出固態電解質性能優劣的最主要性能指標有離子電導率、電子電導率和界面穩定性，其中最核心的是界面控制^2-3。

圖1：固態電解質等粉體類測試示意圖

1、測試設備

固態電解質測試系統Solid X（ACCFILM，PR510固態電解質專用款），是一款專用于固態電解質樣品電導率快速檢測及電性測試多功能測試，集制片、測試、數據采集分析為一體的固態電解質電化學性能的全自動測量設備。該系統采用一體化結構設計，包含高精度動態壓力模塊、電性能測試模塊、密度測量模塊、原位制片模塊及數據采集與分析模塊等，適用于各類氧化物、硫化物、聚合物、鹵化物及復合物等固態電解質的快速測試評價^4,5。

圖2：固態電解質及粉末特性測試系統示意圖

2、應用案例與方向

2.1粉末原位制片

粉末壓片是目前評估固態電解質粉末電化學性能最通用的手段與方法，但是目前方法存在以下潛在問題：制片與測試、壓力控制及厚度測量等都為非原位并且控制精度不夠、壓制力不足等，造成固態電解質制片易碎、不完整測量一致性差等。采用Solid X設備采用原位動態壓力控制將樣品壓制到相應壓力下直接測試，保證電解質界面的一致性控制，降低樣品破壞的風險，提高成品率、測試效率與可靠性。

2.2 一站式快速電子/離子電導率測量

設備可以直接在軟件界面選擇兩種不同測量模式，比如：電子電導率、離子電導率、壓實密度等測試，即可直接實現固態電解質對應壓力下特征電導性能的測試，通過此方法可以快速評價固態電解質的開發與優化。此案例以Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS)的固態解質離子與電子電導率的變化情況，如圖3所示。數據顯示，通過對樣品施加不同的量化壓力并測量其電導性能，不同測試壓力對整體界面接觸有不同的影響，同時更大更精確的壓力可以更穩定的控制固態電解質界面接觸、致密度與一致性，從而得到更加一致的測量結果。

圖3：兩種固態電解質電子電阻及特征

離子電導率對壓力的變化情況

2.3 動態壓時力控制下固態電解質壓實密度變化關系

設備原有的粉末壓實密度測量功能，直接在軟件界面選擇對應測量模式即可實現固態電解質對應動態恒壓力或變壓力下壓實密度的測試，可以用于評價固態電解質的開發與壓實密度等相關工藝優化。此案例以Li_6.5La₃Zr_1.5Ta_0.5O₁₂（LLZTO）以及Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS)的固態解質離子與電子電導率的變化情況，如圖5所示。

圖5：固態電解質壓實密度測試

2.4 動態壓力控制下不同電化學性能測試

此外，在Solid X可自選配套傳統的電化學工作站，可實現固態電池在不同動態恒壓力或變壓力更多電化學性能的測試與評價。

2.4.1不同壓力下電化學阻抗譜掃描

在Solid X測試系統配套的密封治具中組裝Li金屬-固體電解質(Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS))-不銹鋼電池，進行電化學阻抗譜掃描，可以得到不同壓力模式下電池的電化學阻抗譜數據，具體如圖6，這個數據與固態電解質離子電導率進行關聯分析，可以得到固態電解質及其電池更多的電導特性，即通過Solid X測試系統能夠實現對不同固態電解質材料及其鋰金屬電池的加壓、密封電化學測試。

圖6：Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS)基電池阻抗譜圖

2.4.2 不同反應溫度LATP氧化物固態電解質評價

利用設備離子電導率及電化學測試功能，對不同反應溫度下合成的LATP氧化物固態電解質進行電性能測試分析。實驗發現850℃下合成的LATP材料具有最佳的性能，可以看出設備能在離子電導率、完整阻抗測試、密度等方面進行全面評估。具體如圖4所示。

圖4：LATP氧化物固體電解質評價

2.4.3不同循環階段固態電池電化學阻抗原位測量

在Solid X測試系統配套的隔絕治具中組裝Li/C-SE-不銹鋼電池，進行充放電測試，并在預定的循環數時進行原位阻抗測試，這可以看出此結構電池庫倫效率接近99.5%，說明鋰金屬改進負極的循環穩定性能良好。并且，通過阻抗譜可以看出，在一定循環后裝配電池的阻抗（R_ct）明顯降低，說明機構可以電池可靠工作提供保障⁵。

圖7：固態電解質的電化學窗口測試

2.4.4其他電化學測試

以上僅以Solid X測試系統固態電解質進行電化學性能測試的案例分享，更多案例及應用技術研究將持續進行²。

三、總結

本文采用固態電解質的一體化測試系統Solid X，對各類固態電解質材料進行壓片及原位電化學性能測試，可在動態恒壓力或固定間距條件下快速、準確、可靠評估固態電解質的離子電導率、電子電導率、壓實密度及其鋰金屬電池的界面穩定性和循環性能等的影響，為固態電池研究人員全方位地認識和開發固態電解質材料及電性能提供重要保障。

備注：本工作由杭州川源科技與行業固態電池專家共同研發與驗證，若有更多關于固態電池測量技術研究的意見或建議請您聯系我們。

參考信息與文獻

1.全國能源信息平臺，固態電池全面分析--必經之路，2020準固態，2025全固態？

2.黃曉，吳林斌，黃禎,等.鋰離子固體電解研究中的電化學測試方法，儲能科學與技術，2020，9(2):479-500.

3.深圳市電源技術學會，T/SPSTS 019—2021，《固態鋰電池用固態電解質性能要求及測試方法 無機氧化物固態電解質》.

4.https://www.accfilm.com/col.jsp?id=109.

5.Theodosios F, Pieremanuele C, James A. Dawson, M. Saiful I, Christian M, Fundamentals of inorganic solid-state electrolytes for batteries, Nature Materials Nature Materials,2019,18, 1278–1291.

6.Y Wang，Y Shen，Z Du，X Zhang，T Kang，et al. A lithium–carbon nanotube composite for stable lithium anodes. Journal of Materials Chemistry A, 2017,5, 23434-23439.