簡單分析全固態(tài)鋰離子電池的優(yōu)缺點
來源：寶鄂實業(yè)
2020-05-07 13:50
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所謂全固態(tài)鋰離子電池簡單來說就是指電池結(jié)構(gòu)中所有組建都是以固態(tài)形式存在，而如今傳統(tǒng)的商業(yè)化的鋰離子電池則是液態(tài)鋰離子電池即電解液是液態(tài)溶液狀。具體來說就是把傳統(tǒng)鋰離子電池的液態(tài)電解液和隔膜替換為固態(tài)電解質(zhì)，一般是以鋰金屬為負極，也可是石墨類及其他復(fù)合材料
1.1對比各自的優(yōu)缺點如下：
液態(tài)電解質(zhì)
優(yōu)點：a.工業(yè)化自動化程度高; b.較好的界面接觸; c.充放電循環(huán)電極膨脹相對可控; d.單位面積的導(dǎo)電率高
缺點：a.易揮發(fā)易燃燒的電解質(zhì)導(dǎo)致其安全/熱穩(wěn)定性較差; b.依賴于形成SEI膜; c.鋰離子和電子可能同時傳導(dǎo)。
全固態(tài)電解質(zhì)
優(yōu)點：a.高安全/熱穩(wěn)定性(針刺和高溫穩(wěn)定性極好，可長期正常工作在60-120℃條件下); b.可達5V以上的電化學(xué)窗口，可匹配高電壓材料; c.只傳導(dǎo)鋰離子不傳導(dǎo)電子; d.由于固態(tài)電解質(zhì)存在可以在電池內(nèi)串聯(lián)組成高電壓的單體電池; e.簡化冷卻系統(tǒng)，提高能量密度; e.可使用在超薄柔性電池領(lǐng)域
缺點：a.充放電過程中界面應(yīng)力受影響; b.單位面積離子電導(dǎo)率較低，常溫下比功率差; c.成本極為昂貴(1mAh成本為25美金);d.工業(yè)化生產(chǎn)大容量電池有很大困難
全固態(tài)鋰離子電池將來有可能在3C小型電子設(shè)備上獲得實際應(yīng)用，大型動力電池或許并不是其適用領(lǐng)域。根據(jù)當(dāng)前國際上全固態(tài)鋰離子電池的研究和發(fā)展狀況，并不認為在未來5-10年之內(nèi)全固態(tài)鋰離子電池有大規(guī)模商業(yè)化的可能性。
這里要強調(diào)的是，對于上述鋰電安全性和能量密度問題的認識和理解，需要具備相當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)專業(yè)知識以及資深的鋰電生產(chǎn)實踐，由于篇幅的限制筆者這里不再贅述。
對比鋰離子動力電池和燃料電池，我們可以看到，鋰離子動力電池能量密度進一步提升的空間非常有限。如果從最基本電化學(xué)原理的角度思考，這個問題并不難理解，二次電池的能量密度增加并不遵循摩爾定律。
能量密度更高的新型化學(xué)電源體系目前還都處于基礎(chǔ)研究階段，產(chǎn)業(yè)化前景依然很不明朗。相對而言，PEMFC的能量密度問題并不是很突出，即便是通過最簡單的增加儲氫罐數(shù)量來保證續(xù)航里程，可操作性也相對比較容易。
我們也可以從另外一個角度進行思考，二次電池必須向全密封系統(tǒng)發(fā)展而力求做到免維護(對鋰電而言則是絕對必須)，而正是因為二次電池是個密封系統(tǒng)，才決定了它的能量密度不可能很高。否則的話，一個密閉的高能體系在本質(zhì)上跟炸彈有何區(qū)別？
相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池，固態(tài)鋰電池具有顯著優(yōu)點：
(1)高安全性能：傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機液體電解液，在過度充電、內(nèi)部短路等異常的情況下，電池容易發(fā)熱，造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸，存在嚴重的安全隱患。而很多無機固態(tài)電解質(zhì)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，聚合物固體電解質(zhì)相比于含有可燃溶劑的液態(tài)電解液，電池安全性也大幅提高。
(2)高能量密度：固態(tài)鋰電池負極可采用金屬鋰，電池能量密度有望達到300～400Wh/kg甚至更高;其電化學(xué)穩(wěn)定窗口可達5V以上，可匹配高電壓電極材料，進一步提升質(zhì)量能量密度;沒有液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，減輕電池重量，壓縮電池內(nèi)部空間，提高體積能量密度;安全性提高，電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊得到簡化，提高系統(tǒng)能量密度。
(3)循環(huán)壽命長：有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)形成和生長SEI膜的問題和鋰枝晶刺穿隔膜問題，大大提升金屬鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。
(4)工作溫度范圍寬：固態(tài)鋰電池針刺和高溫穩(wěn)定性極好，如全部采用無機固體電解質(zhì)，最高操作溫度有望達到300℃，從而避免正負極材料在高溫下與電解液反應(yīng)可能導(dǎo)致的熱失控。
(5)生產(chǎn)效率提高：無需封裝液體，支持串行疊加排列和雙極機構(gòu)，可減少電池組中無效空間，提高生產(chǎn)效率。
(6)具備柔性優(yōu)勢：全固態(tài)鋰電池可以制備成薄膜電池和柔性電池，相對于柔性液態(tài)電解質(zhì)鋰電池，封裝更為容易、安全，未來可應(yīng)用于智能穿戴和可植入式醫(yī)療設(shè)備等。
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