全固态电池采用全新固态电解质取代当前有机电解液和隔膜，具有高安全性、高能量密度、广泛的高比能电极体系适配性等优点，有望成为下一代动力电池的终极解决方案。然而，固态电解质和电极之间较差的接触性引起电池传输电阻过大问题限制了电池性能，成为该电池商业化的一大障碍。德国尤里希研究中心Ru?diger-A. Eichel教授课题组设计开发一种磷酸体系的全固态电池（磷酸体系电极、磷酸体系固态电解质），有效地改善了电极和固态电解质接触性，显著减少了电池传输电阻，增强了电池的放电比能量和循环寿命。研究人员首先合成了磷酸体系的正负电极LiTi2(PO4)3 （LTP）和Li3V2(PO4)3（LVP），以及电解质Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)。X射线衍射谱（XRD）测试显示，电极和电解质的晶体结构高度相似，有助于电极和电解质材料匹配，改善界面连结性，降低阻抗。扫描电镜表征显示，LTP电极是由纺锤体状的纳米颗粒单元组成，平均长度约6 μm；而LVP电极组成单元则是平均长度约6~8 μm纳米针；氮气的脱吸附曲线测试结果显示，上述两个电极均是多孔结构，这有利于固态电解质填充到内部，改善界面传输电阻促进离子传输。接着将LATP与炭黑和乙基纤维素粘结剂混合并压制成块体的固态电解质，室温下离子导电性达到了近1 mS/cm，完全满足电池需求。而为了让其能够与电极更好形成界面接触，对电解质表面进行抛光处理，使其表面的粗糙度（高低起伏的平均幅度）达到8 μm以上，大于电极颗粒的平均粒径（让电极起伏界面能够与电解质契合），从而让电极和固态电解质能够形成良好的接触界面。随后将抛光的固态电解质LATP与LTP、LAP电极组装成完整的单片电池LTP‖LATP‖LAP，并与采用传统液态电解质的电池进行电化学循环对比测试。在0.2-2.8 V电压窗口、0.078C倍率下，采用传统液态电解质电池初始循环放电比容量为100 mAh g–1，然而经过50次循环后电池容量便大幅衰减70%；相反同样倍率下，采用磷酸体系全固态电解质电池初始放电比容量为98 mAh g–1，经过50次循环后容量基本无衰退，而且当将倍率翻20倍到0.39C，电池依旧可以获得76 mAh g–1的初始放电比容量，经过500多次的循环后放电比容量为63.5 mAh g–1，保持了初始容量的84%。由上可知，全磷酸体系电解质和电极电池不仅循环稳定性更加优异，还具有更高的倍率性能。该项研究设计合成了全磷酸体系的固态电解质和电极，显著改善了电解质和电极的界面接触减少了界面传输阻抗，增强了电池的倍率性能、循环稳定性和容量保持率，为设计开发高效长寿命的全固态锂离子电池提供了新思路。相关研究成果发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》。
