近來固態鋰電池吸引許多團隊投入研究，主因在於固態電解質取代有機電解液，解決了鋰電池的安全問題，並可用高能量密度之鋰金屬作負極材料，大幅提高電池之能量密度，而鋰電池之加工設計也更有彈性。此外，固態電解質耐高電壓以及高溫之特性，使得此類電池之應用領域更為廣泛。
本文將從以下大綱，拆成(上)、(下)兩集來介紹多種無機固態電解質之近期發展，並討論工研院材化所近期的固態電解質相關成果。
‧結晶態電解質
1. 硫化物固態電解質
2. 氧化物固態電解質
(1) NASICON結構
(2) Garnet Type結構
(3) Peroskite Type結構
‧玻璃態電解質
‧玻璃陶瓷電解質
‧工研院無機固態電解質研究現況
1. LLZTO
2. LAGP
【內文精選】
現今商用鋰離子電池皆使用液態電解質與膠態電解質，液態電解質有漏液與爆炸之疑慮，且液態電解質之鋰離子電池其能量密度不高、工作電壓不高且熱穩定性不佳，而全固態鋰電池(Lithium Battery)可解決上述問題。全固態鋰電池可使用鋰金屬為負極，鋰金屬的容量密度可以達到3,830 mAh/g，較鋰碳層化合物高出許多，利用鋰金屬當負極來製造電池，則電池的理論容量可以達到620 Wh/kg，是傳統鋰離子二次電池系統的1.5倍以上。固態鋰電池所使用的無機固態電解質(Solid Electrolyte; SE)種類及其離子導電率分布如圖一，成分以氧化物以及硫化物為大宗，若依物質結構分類可大致分為：結晶態電解質、玻璃態電解質以及玻璃陶瓷電解質。
圖一、固態電解質之種類總覽圖
結晶態電解質
常見之結晶態電解質中，似LISICON(LISICON-like)與硫銀鍺礦(Argyrodite)型固態電解質多為硫化物電解質。然硫化物電解質接觸濕氣將釋出具毒性之硫化氫(H2S)氣體，且具較低之電化學穩定性，故其於鋰離子固態電池之應用受到限制。
2. 氧化物固態電解質
目前的研究重點在於提高室溫離子電導率及其與電極的界面相容性。常見方法主要是元素替換和異價元素摻雜於結構中，以提高鋰空缺而改善電導率。另外，與電極的相容性可與有機高分子材料等軟性物質複合解決部分問題，落實此固態電解質之具體應用。
(3) Peroskite Type結構
理想鈣鈦礦結構(ABO3)為立方晶格，空間群為Pmˉ3m。Li3xLa(2/3)-x□(1/3)-2xTiO3 (LLTO, 0 < x < 0.16)為鈣鈦礦電解質中具最高鋰離子傳導度之電解質，具有電化學穩定性高、耐乾溼環境、熱穩定性好以及低電子導電率等優點。多個研究團隊發表離子導電度達10-3 S/cm之LLTO材料，使其在固態電池的應用獲得更多注目以及研究投入。
LLTO以多種晶相存在，材料之製備條件直接影響成相，例如：高溫燒結得到立方晶相(Cubic,Pmˉ3m Symmetry)，稱為α-LLTO；低溫合成可得β-LLTO ，為四方晶結構(Tetragonal, P4/mmm Symmetry)。另外還有六方晶以及斜方晶（圖八）等結構。
圖八、LLTO之斜方晶結構圖
然而，LLTO材料的兩個主要缺點使其應用遭遇瓶頸，其一為晶界間之離子導電度過低(<10-5 S/cm)，以及與鋰金屬負極之化學穩定性差。A. Mei.團隊在LLTO晶界處導入Silica，可降低晶界離子阻抗，實驗數據顯示，導入Silica之LLTO材料與未導入之材料其總離子傳導度分別為1 × 10-4以及3.3 × 10-5 S/cm。另外，Garnet Type之LLZO材料亦有助於提升LLTO之界面層阻抗，研究證實可達1.2 × 10-4 S/cm。摻雜Al離子以及Nb離子皆有助於提升離子導電度（圖九）。不過研究亦發現，摻雜Ag離子則會...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
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作者：劉佳兒、游淑君、洪博揚、廖世傑／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」375期，更多資料請見下方附檔。