研究全固態(tài)鋰離子電池，它的發(fā)展現(xiàn)狀和商業(yè)化前景如何？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-06 18:11
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日前有海外媒體報(bào)道稱，寶馬正在研發(fā)一款更為先進(jìn)的鋰離子電池，這款電池將用固態(tài)電解質(zhì)代替現(xiàn)有的電解液，更輕、更安全、密度更高。據(jù)悉，新電池的量產(chǎn)時(shí)間或?yàn)?026年。看到這則新聞之后第一個(gè)想到的就是BMW什么時(shí)候才能學(xué)會(huì)我朝的一貫作風(fēng)??？2026年還有9年時(shí)間呢，最差也要說(chui)是(niu)2020年量產(chǎn)讓我等先興奮幾分鐘吧？
先開個(gè)玩笑，下面言歸正傳。新聞里講的更為先進(jìn)的電池就是傳說中的全固態(tài)鋰離子電池。今天就跟大家簡(jiǎn)單聊聊全固態(tài)鋰離子電池的現(xiàn)狀和未來，一起看看全固態(tài)鋰離子電池到底是個(gè)什么鬼。
寶馬豐田們都在研究全固態(tài)鋰離子電池，它的發(fā)展現(xiàn)狀和商業(yè)化前景如何？
1. 與傳統(tǒng)鋰離子電池的基本區(qū)別
寶馬豐田們都在研究全固態(tài)鋰離子電池，它的發(fā)展現(xiàn)狀和商業(yè)化前景如何？
圖1 液態(tài)鋰離子電池(左)，固態(tài)鋰離子電池(右)
所謂全固態(tài)鋰離子電池簡(jiǎn)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(fù)極，也可是石墨類及其他復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.1對(duì)比各自的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
液態(tài)電解質(zhì)
優(yōu)點(diǎn)：a.工業(yè)化自動(dòng)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(duì)可控; d.單位面積的導(dǎo)電率高
缺點(diǎn)：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(shí)傳導(dǎo)。
全固態(tài)電解質(zhì)
優(yōu)點(diǎn)：a.高安全/熱穩(wěn)定性(針刺和高溫穩(wěn)定性極好，可長(zhǎng)期正常工作在60-120℃條件下); b.可達(dá)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(jiǎn)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(diǎn)：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
寶馬豐田們都在研究全固態(tài)鋰離子電池，它的發(fā)展現(xiàn)狀和商業(yè)化前景如何？
圖2全固態(tài)電池的安全性能
2.全固態(tài)電池的關(guān)鍵技術(shù)
作為下一代要重點(diǎn)發(fā)展的先進(jìn)電池技術(shù)，全固態(tài)電池?zé)o疑是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)屆在積極開發(fā)推進(jìn)的重點(diǎn)，其中選取合適的電解質(zhì)材料和生產(chǎn)工藝是關(guān)鍵。
2.1 電解質(zhì)材料
電解質(zhì)材料的性能很大程度上決定了電池的功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。常見的固態(tài)電解質(zhì)可分為聚合物類電解質(zhì)和無機(jī)物電解質(zhì)兩大類。對(duì)于電解質(zhì)性能的評(píng)判, 一般有以下幾個(gè)指標(biāo)：
a. 離子電導(dǎo)率，一般是要求達(dá)到10-4 S/cm 以上。
b. 鋰離子遷移數(shù)，遷移數(shù)是指通過電解質(zhì)的電流中鋰離子貢獻(xiàn)的比例, 理想狀態(tài)下, 遷移數(shù)為1，遷移數(shù)過低時(shí)陰離子會(huì)在電極表面富集,
導(dǎo)致電池極化加劇, 內(nèi)阻增大。
c. 電化學(xué)窗口，一般要求高于4.3V，太低會(huì)在電池充放電過程中發(fā)生分解。
d. 高安全/熱穩(wěn)定性。
常見的固體電解質(zhì)材料參數(shù)如下表所示：
寶馬豐田們都在研究全固態(tài)鋰離子電池，它的發(fā)展現(xiàn)狀和商業(yè)化前景如何？
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聚合物類固體電解質(zhì)
一般是以PEO和鋰鹽LiTFSI等的混合物為電解質(zhì)基材，制備電解質(zhì)。由于聚合物電解質(zhì)潤(rùn)濕電極能力差, 活性材料脫嵌鋰必須通過極片傳輸?shù)诫姌O表面進(jìn)行, 使得電池工作過程中極片內(nèi)活性物質(zhì)的容量不能完全發(fā)揮。將電解質(zhì)材料混入電極材料中或者替代粘結(jié)劑, 制備成復(fù)合電極材料, 填補(bǔ)電極顆粒間的空隙, 模擬電解液潤(rùn)濕過程, 是提高極片中鋰離子遷移能力及電池容量發(fā)揮的一個(gè)有效方法。
另外一點(diǎn)相對(duì)來說其電化學(xué)窗口狹窄，一般正極材料選用LFP等低電位材料。
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圖3 聚合物固體電解質(zhì)Li金屬電池的循環(huán)性能可達(dá)600周
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圖4 PEO抗氧化性較差
氧化物固體電解質(zhì)
LiPON 是一種理想的鋰離子電池電解質(zhì)材料, 其制備的電池倍率性能及循環(huán)性能都比較優(yōu)異, 可以在50C下工作, 循環(huán)45000次后, 容量保持率達(dá)95%以上。雖然此款電解質(zhì)的導(dǎo)電率并不高(10-6 S/cm),但由于采用濺射技術(shù)制備, 電解質(zhì)層很薄且與電極的界面接觸較好, 電池的整體電阻較小。
但是LiPON 材料為電解質(zhì)時(shí), 正負(fù)極材料必須采用磁控濺射、脈沖激光沉積、化學(xué)氣相沉積等方法制成薄膜電極。同時(shí), 由于正負(fù)極薄膜的制備工藝使得電極中不能像普通鋰離子電池工藝一樣加入導(dǎo)電材料, 且電解質(zhì)不能浸潤(rùn)電極, 使得電極的鋰離子及電子遷移能力較差, 因此只有正負(fù)極層都做到超薄, 電池的電阻才能降低。
