固态电解质离子电导率测对了吗？

固态电池被认为是目前目前颇具潜力的研究方向，已成为目前研究热点中的热点，但是固态所面临的问题界面问题，材料稳定性，离子电导率等成为制约固态性能提升及商业化的巨大障碍。大量的研究人员专注于开发及改进氧化物，硫化物, 聚合物和卤化物固态电解质的离子电导率。

电化学交流阻抗谱(EIS)被认为是目前测试各类材料离子电导率优质的技术手段。但准确测试固态电解质的离子电导率并非易事，为了理清这个关键问题，我们需要了解以下信息, 才能确保离子电导率测试准确可靠。

为什么固态电池中离子传导如此重要？ 

Fig 1. 固态电池中的界面及离子传递模型

Chem. Rev. 2020, 120, 14, 6878–6933

为什么测试固态离子电导率需要高频？

Fig 2. 固态材料中的离子界面过程等与电容的响应关系

Adv. Mater. 132-138, 2 (1990) No. 3

Fig 3. 固态材料的EIS响应曲线-理想模型

Fig 3.中各元素的含义

• 对应的拟合电路为(RbQb)(RgbQgb)Wel
• R 是纯电阻(Resistance)
• Q 是常相位角元件(Constant Phase Element)
• W 是Warburg 阻抗；
• b 指电解质晶粒体相(bulk)，
• gb 指晶界(grain boundary)
• el 指阻塞电极(electrode)

将Fig 2.中的对应的电容量级带入下列数学计算公式，即可得到EIS响应曲线所需的频率范围，如10的-8次方，频率约为10-100 MHz量级。

为什么实际固态离子测试EIS曲线会出现各种响应情况？

主要有以下原因：

• 固态电解质的样品前处理
• 固态电解质夹具
• 设备与夹具的连接
• 设备的高频响应能力
• ……

Fig 4. 典型的固态电解质材料的EIS响应曲线

锂离子固体电解质研究中的电化学测试方法，储能科学与技术

Energy Storage Materials 69 (2024) 103378

Fig 4.图为常见的比较典型的固态电解质EIS曲线：

• Fig 4a为固态电解质理论模型。
• Fig 4b为实际测试合理结果，阻塞电极良好，受限于设备高频能力，高频半圆不完整。
• Fig 4c为阻塞电极较差，阻塞电极与电解质界面影响。
• Fig 4d为阻塞电极良好，但受限于接线及设备高频交流阻抗能力。

结论及建议

对于固态离子电导率的准确测试，并非易事，需要全面慎重考虑样品制备，阻塞电极的设计，设备与阻塞电极的连接方式，交流阻抗设备(EIS)的高频能力及可靠性等。虽然市面上能够进行阻抗测试的设备有非常多类型，但能够同时覆盖高频和低频，并表现出优异性能的设备，从硬件设计来说依然面临巨大挑战。

参考文献

1.Energy Storage Materials 69 (2024) 103378 https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103378

2.锂离子固体电解质研究中的电化学测试方法，《储能科学与技术》 2020年02期

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