目前，我國新能源汽車廠商選用的電池體系主要有三元材料/石墨體系，磷酸鐵鋰/石墨體系和三元/鈦酸鋰體系電池三種。選用三元電池的代表車企有吉利、長安、北汽、上汽、江淮等公司，選用磷酸鐵鋰電池的代表車企是比亞迪，三元/鈦酸鋰電池的車企則是珠海銀隆。

 

 

 

2017年3月份，國家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進(jìn)汽車動力電池發(fā)展行動方案》，指出到2020年，要求新型鋰離子動力申池單體比能量超過300Wh/Kg；系統(tǒng)比能量力爭達(dá)到260Wh/Kg。

 

 

 

根據(jù)三種電池的原材料本身性質(zhì)進(jìn)行判斷，單體比能量超過300Wh/Kg對磷酸鐵鋰和鈦酸鋰電池來說是無法達(dá)到的，目前只有三元材料能夠達(dá)到這樣的要求。以上是三種鋰電池材料體系的比較，三元電池雖以能量密度超越其他電池，但是其采用的是液態(tài)電解質(zhì)，存在較大的安全隱患。業(yè)內(nèi)對于固態(tài)電解質(zhì)能夠解決鋰電池安全問題保持一致的看法。

 

 

 

固態(tài)電池并不是一個(gè)新穎的概念，早在2012年蘋果公司就已經(jīng)對固態(tài)電池開始了專利布局。固態(tài)電池是采用固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)的電池。固態(tài)電池的正極材料與液態(tài)電解質(zhì)電池沒有太大差別，負(fù)極材料主要選用鋰金屬、鋰合金或石墨烯等。這么多有利的因素，組合在一起就構(gòu)成了固態(tài)鋰離子電池。目前固態(tài)鋰電池可以分為無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)電池和聚合物固態(tài)鋰電池兩種。固態(tài)鋰電池的發(fā)展主要還是依賴于固體電解質(zhì)的材料的發(fā)展。

 

 

 

 

 

 

 

一、固態(tài)電解質(zhì)材料

 

 

 

對于固態(tài)電池來說，選用合適的固態(tài)電解質(zhì)材料是電池設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，一般對電解質(zhì)的性能要求有以下：

 

 

 

(1)具有高的室溫電導(dǎo)率;

 

 

 

(2)電子無法通過，鋰離子能夠通過；

 

 

 

(3)電化學(xué)窗口寬；

 

 

 

(4)與電極材料相容性好；

 

 

 

(5)熱穩(wěn)定性好、耐潮濕環(huán)境、機(jī)械性能優(yōu)良；

 

 

 

(6)原料易得，成本較低，合成方法簡單。

 

 

 

1.聚合物電解質(zhì)

 

 

 

在有機(jī)聚合物基鋰離子導(dǎo)體中，鋰離子以鋰鹽的形式“溶于”聚合物基體。電導(dǎo)率是表征電解質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)，而傳輸速率主要受到與基體相互作用及鏈段活動能力的影響。提高鏈段的活動性有利于提高鋰離子電導(dǎo)率。

 

 

 

目前，研究較多的聚合物固體電解質(zhì)是PEO（聚環(huán)氧乙烷）及其衍生物絡(luò)合鋰鹽類聚合物電解質(zhì)。PEO類聚合物在較高的溫度下也有很好的離子電導(dǎo)率，且加工性能好。但PEO類聚合物電解質(zhì)也存在室溫離子電導(dǎo)率低、與金屬鋰負(fù)極的相容性差等問題。

 

 

 

2.無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)

 

 

 

無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料中，早期開發(fā)的鹵化物電解質(zhì)電導(dǎo)率較低。這些早期開發(fā)的材料還存在化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、制備困難等問題。

 

 

 

 

 

 

 

硫化物電解質(zhì)和氧化物電解質(zhì)都包含有玻璃、陶瓷及玻璃-陶瓷（微晶玻璃）3種不同結(jié)晶狀態(tài)的材料?？偟膩碚f，由于S相對于O對Li的束縛作用較弱，有利于Li+的遷移，因此硫化物的電導(dǎo)率往往顯著高于同種類型的氧化物。

 

 

 

氧化物電解質(zhì)對空氣和熱穩(wěn)定性高，原料成本低，更易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽?。在氧化物電解質(zhì)中，非晶（玻璃）態(tài)氧化物電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率較低，且對空氣中的水汽較敏感，制備往往需要高溫淬冷，難以應(yīng)用于實(shí)際電池。

 

 

 

在氧化物中，鋰離子在尺寸大得多的O2-構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)間隙進(jìn)行傳導(dǎo)，減弱Li-O相互作用、實(shí)現(xiàn)鋰離子的三維傳輸及優(yōu)化傳輸通道中鋰離子與空位濃度的比例均有利于提高鋰離子的電導(dǎo)率?；谶@些理念，一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的氧化物鋰離子導(dǎo)體材料相繼出現(xiàn)，其中具有代表性的包括石榴石型結(jié)構(gòu)體系、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)體系、鈉快離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體系。然而，這些材料中，只有石榴石型結(jié)構(gòu)體系的材料對金屬鋰穩(wěn)定。另兩種結(jié)構(gòu)體系中電導(dǎo)率較高的材料均含有可被金屬鋰還原的Ti、Ge等元素。此外，石榴石型結(jié)構(gòu)體系材料對空氣有較好的穩(wěn)定性，原料成本低，燒結(jié)體具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，因此具備作為理想固態(tài)電解質(zhì)廣泛應(yīng)用于全固態(tài)鋰電池的潛力。

 

 

 

 

 

 

 

二、待解決的問題

 

 

 

將固態(tài)電解質(zhì)引入鋰電池是為了突破目前有機(jī)電解液存在的種種限制，提高電池的能量密度、功率密度、工作溫度范圍和安全性。然而，真正實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，仍需首先解決現(xiàn)有電解質(zhì)材料本身以及與電極界面存在的一些問題。

 

 

 

例如，提高能量密度需要使用低電位、大容量的負(fù)極材料，以及高電位、大容量的正極材料，這樣的情況下，存在高電壓的情況，聚合物和硫化物有限的電化學(xué)窗口往往難以直接應(yīng)用的問題。提高功率密度則需要提高電解質(zhì)電導(dǎo)率，這依舊是個(gè)很大的難題。

 

 

 

三、總結(jié)

 

 

 

全固態(tài)鋰電池具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時(shí)也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。全固態(tài)鋰電池當(dāng)前能量密度約400Wh/Kg，預(yù)估最大潛力值達(dá)900Wh/Kg。但是固態(tài)電池在提升能量密度、功率密度等方面還存在一些待解決的問題，需要從固態(tài)電解質(zhì)、正負(fù)極材料上著手，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。

 

 

 

 

 

全固態(tài)鋰電池開發(fā)面臨四個(gè)挑戰(zhàn)

 

 

最近中日美三國政府提出的動力電池的發(fā)展目標(biāo)，從技術(shù)的指標(biāo)上，核心指標(biāo)是能量密度，越提越高，從300瓦時(shí)每公斤，一直到500瓦時(shí)每公斤，包括美國DOE還有中國的重點(diǎn)專項(xiàng)，納米材料、基因組都提出了很高的指標(biāo)要求。

 

 

 

怎么樣實(shí)現(xiàn)這些超高能量密度的指標(biāo)，同時(shí)還要兼顧動力電池使用時(shí)的安全性、壽命、成本，這是擺在很多研發(fā)人員面前的問題。

 

 

 

從技術(shù)分析的角度，目前主要的動力電池還是正極材料匹配人造石墨這一類的負(fù)極材料，接下來提高能量密度，很可能要把硅負(fù)極引入，體積膨脹是很難解決的問題，接下來是把硅負(fù)極用金屬鋰替代，1972年研發(fā)到現(xiàn)在，歷時(shí)50多年，有非常多的挑戰(zhàn)，關(guān)鍵的幾個(gè)問題是目前大多數(shù)的研發(fā)還是在有機(jī)的溶劑中，在有機(jī)溶劑中第一個(gè)問題是它不像石墨負(fù)極鋰進(jìn)和出，是非均勻的析出。第二是自發(fā)和電解液發(fā)生反映，體積變化也比較大。逐步導(dǎo)致鋰離子電池VCR膜也不能穩(wěn)定存在，安全性、自放電等方面還不能滿足需求，非常多的企業(yè)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)把希望寄托在全固態(tài)鋰電方面。固態(tài)電池和業(yè)態(tài)電池在微觀上也是三層結(jié)構(gòu)，只是把現(xiàn)在的隔膜電解液替換為固態(tài)電解質(zhì)，這是典型的照片，沒有太本質(zhì)的區(qū)別，核心是有可能負(fù)極使用了金屬鋰，在這種情況下，在正極這一側(cè)，原來的液體可以充分浸潤正極顆粒，在正極側(cè)接觸，這是難度非常大的。從大家預(yù)期的優(yōu)點(diǎn)上，如果使用了金屬鋰，現(xiàn)在容易燃燒和爆炸的液態(tài)電解質(zhì)，另外使用壽命等等都會延長，模塊配置等都是大家期望的，在實(shí)踐中這些數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步的檢驗(yàn)，在2007年的時(shí)候，日本的NEDO在2008年公布了這樣的路線圖，在他們看來在遠(yuǎn)期的2030年，很多的電池形態(tài)是以全固態(tài)形式出現(xiàn)，包括金屬鋰、鋰硫和鋰空氣電池，這些路線在不斷修改中，但是大體是提高安全性的策略，就是固態(tài)化。

 

 

 

2016年，美國APER的兩千萬美元的項(xiàng)目，全部支持各類固體電解質(zhì)的開發(fā)，以及固體電解質(zhì)的制造技術(shù)，現(xiàn)在在中國，在過去兩三年的推動下，從事固態(tài)電池開發(fā)的團(tuán)隊(duì)非常多，展示的單位不多，具備能力開發(fā)的小團(tuán)隊(duì)，從南到北非常多的研發(fā)團(tuán)隊(duì)為主，企業(yè)包括寧德時(shí)代新能源，蘇州新陶還有珈偉股份等，我不一一介紹了。

 

 

 

目前總體而言，全固態(tài)鋰電池開發(fā)面臨四個(gè)挑戰(zhàn)，一個(gè)是在電極層面，怎么樣滿足正負(fù)極課題和固體電解質(zhì)的離子傳輸，特別是循環(huán)過程中，第二是循環(huán)過程中正負(fù)極材料不能像液體那樣保持非常好的接觸。還有金屬鋰電極的體積變化還有鋰固體的變化。

 

 

 

接下來介紹一下，2013年中科院決定采取納米先導(dǎo)專項(xiàng)。這里提出要做長續(xù)航的動力電池，通過提升能量密度來延長電動汽車的續(xù)駛里程，提出了300瓦時(shí)每公斤的指標(biāo)，跟現(xiàn)在國家的任務(wù)是一致的。在這里包括第三代鋰離子電池技術(shù)，包括現(xiàn)一代度固態(tài)電池，鋰硫和鋰空電池，包括12家科研單位，24個(gè)PI，400人，一直在動態(tài)的管理中。