硫化物固态电解质电池测试方法

　　1. 材料级表征(硫化物电解质粉末)

　　离子电导率(σ_i)

　　方法： 交流阻抗法(EIS)。

　　步骤： 将电解质粉末在数百MPa压力下压成致密圆片(通常在惰性气氛手套箱中操作)，两侧喷涂或压合阻塞电极(如金、不锈钢)。通过EIS测量其本体电阻(R_b)。

　　计算： σ_i = L / (R_b * A)，其中 L 是电解质片厚度，A 是面积。

　　目标： 优异的硫化物SSE室温离子电导率应 > 10⁻³ S/cm。

　　电子电导率(σ_e)

　　方法： 直流极化法。

　　步骤： 在与上述相同的电解质片上施加一个小的直流电压(通常< 50 mV)，并记录电流随时间衰减至稳态值(I_ss)。

　　计算： σ_e = (I_ss * L) / (A * V)。

　　意义： σ_e/σ_i 的比值应尽可能小(如<10⁻⁶)，以防止电池内部短路和自放电。

　　电化学稳定窗口(ESW)

　　方法： 线性扫描伏安法(LSV)。

　　步骤： 构建阻塞电极(如Au|SSE|SSE|Au)或使用工作电极(如锂金属)和对电极(如不锈钢)。以低速扫描速率(如0.1-1 mV/s)施加电压。

　　分析： 观察电流开始显著增大的电压点。注意：硫化物SSE的热力学稳定窗口通常很窄(1.5-2.5 V)，但其与电极形成的界面钝化层使其能在更宽的电位范围内“动力学稳定”工作。

　　结构与物相分析

　　X射线衍射(XRD)： 确认合成出的物相是否正确、有无杂相。必须在密封样品架或充氩气氛中进行，防止空气接触。

　　拉曼光谱/红外光谱： 辅助分析局部结构。

　　扫描/透射电子显微镜(SEM/TEM)： 观察颗粒形貌、尺寸分布。样品转移需使用专用密封样品台。

　　2. 电池组装(极度关键!)

　　环境控制： 必须在充满高纯氩气(O₂ & H₂O < 0.1 ppm)的手套箱中操作。硫化物SSE对水和氧极为敏感，会反应生成有毒的H₂S气体并导致性能失效。

　　电解质片制备：

　　冷压法： 常用。将SSE粉末与正/负极粉末在模具中通过数百MPa的压力压成致密的双层或三层结构片。

　　烧结法： 在适当温度下热处理冷压后的片，以提高致密度和界面接触，但需防止不利的界面反应。

　　集成方式：

　　粉末压片： 简单，但界面接触可能不理想。

　　浆料涂覆： 将SSE与粘结剂、溶剂混合制成浆料，涂覆在电极上。溶剂选择至关重要，必须是非极性、不反应的(如庚烷、甲苯)。

　　3. 电化学性能测试

　　循环伏安法(CV)

　　用于研究电极反应的可行性和可逆性，以及界面副反应的起始电位。

　　恒电流充放电测试

　　核心测试： 评估电池的实际容量、库仑效率、循环寿命和倍率性能。

　　关键参数：

　　电流密度： 通常用 C-rate 或 mA/g(基于活性物质质量)或 mA/cm²(基于面积容量)表示。

　　电压窗口： 根据正负极材料设定。

　　循环稳定性： 长期充放电，观察容量保持率。

　　库仑效率(CE)： 首次循环通常较低(因形成SEI/CEI)，后续应接近100%。低CE意味着持续的副反应和活性物质损失。

　　倍率性能： 在不同电流密度下测试，评估电池的快充能力。

　　电化学阻抗谱(EIS)

　　应用： 是诊断界面问题的“听诊器”。

　　分析内容：

　　本体电阻： 反映电解质的离子电导率。

　　界面阻抗： 重要的参数之一，包括电极/电解质界面的电荷转移电阻(R_ct)和界面钝化层电阻(R_SEI/CEI)。

　　Warburg阻抗： 反映锂离子在固体中的扩散。

　　通常在不同循环圈数后进行EIS测试，以观察界面阻抗的演化。

　　4. 界面与稳定性专项测试

　　锂金属对称电池(Li|SSE|Li)测试

　　目的： 专门评估SSE与锂金属的界面稳定性。

　　方法： 在固定电流密度下进行反复的锂沉积/剥离循环。

　　分析：

　　过电位： 电压滞后的变化。

　　电压曲线稳定性： 是否出现短路(电压突然暴跌)或阻抗急剧增大(电压极化增大)。

　　与正极材料的化学相容性

　　方法： 将SSE粉末与正极材料(如NCM)混合，在特定温度下放置一段时间后，通过XRD、XPS等手段分析是否生成新相。

　　临界电流密度(CCD)

　　定义： 电池在发生内部短路前所能承受的z大电流密度。

　　测试方法： 使用锂金属对称电池或全电池，以阶梯式或连续增加电流密度的方式进行充放电，直到电压曲线出现异常或发生短路。

　　意义： CCD是衡量SSE抑制锂枝晶能力的核心指标。

      来源：网络