聚合物電池高溫工作性能好嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-26 14:11
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聚合物電池高溫工作性能較好，目前最優(yōu)技術(shù)路線，最先實(shí)現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。聚合物全固態(tài)電池的電解質(zhì)主要是聚環(huán)氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等，其中聚環(huán)氧乙烷（PEO）研究開發(fā)最早也最為成熟。在高溫條件下，聚合物（如PEO）離子電導(dǎo)率高，能與正極復(fù)合形成連續(xù)的離子導(dǎo)電通道，且對(duì)金屬鋰具有較高的穩(wěn)定性，同時(shí)，聚合物容易成膜，其柔性易于加工，既可以制成薄膜型，也能制成大容量型，應(yīng)用范圍廣，因而隨著材料性能提升和制造工藝的改進(jìn)，使得聚合物全固態(tài)鋰電池成為最容易也是最先實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。不過目前聚合物室溫電導(dǎo)率較低以及較低的電壓其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍有限制。聚合物固態(tài)鋰電池的開發(fā)主要以Bolloré、CATL、Seeo、中科院青島生物能源與過程研究所為代表。
Bolloré生產(chǎn)出的全固態(tài)二次電池（LMP），負(fù)極材料采用金屬鋰，電解質(zhì)采用聚合物（PEO等）薄膜，目前已經(jīng)批量應(yīng)用在法國的EV共享服務(wù)汽車“Autolib”和小型電動(dòng)巴士“Bluelus，總體應(yīng)用超過3000輛。
Seeo開發(fā)的全固體二次電池采用大創(chuàng)公司的干聚合物薄膜，提供的樣品電池組能量密度為130-150Wh/kg，2017年能量密度能達(dá)到300Wh/kg。
國內(nèi)CATL在聚合物方面也發(fā)展較快，目前已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出了容量為325毫安時(shí)的聚合物電芯，表現(xiàn)出較好的高溫循環(huán)性能。
2017年4月中科院青島生物能源與過程研究所取得重大進(jìn)展，該所開發(fā)的大容量固態(tài)聚合物鋰電池“青能I號(hào)”完成深?？瓶?，據(jù)悉，其能量密度超過250Wh/kg，500次循環(huán)容量保持80％以上，在多次針刺和擠壓等苛刻測(cè)試條件下保持非常好的安全性能。另外，“青能II號(hào)”也已經(jīng)研發(fā)成功，能量密度高達(dá)300Wh/kg。
2.2.硫化物性能參數(shù)極佳，開發(fā)潛力巨大
硫化物在工作性能參數(shù)上表現(xiàn)良好，且易于加工。硫化物全固態(tài)電池的主要電解質(zhì)是thio-LISICON和LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等。
首先，相對(duì)于聚合物和氧化物，硫化物的電導(dǎo)率較高，室溫電導(dǎo)率可以達(dá)到10-3~10-2S/cm，接近甚至超過有機(jī)電解液。其次，電化學(xué)窗口較寬（可實(shí)現(xiàn)5V以上）以及形成膜以后具有比較好的界面穩(wěn)定性。最后硫化物與聚合物相似，硫化物柔性也較強(qiáng)，易于加工，較大的設(shè)計(jì)彈性拓寬了硫化物全固態(tài)鋰電池的應(yīng)用范圍。硫化物仍面臨界面問題和硫化物離子環(huán)境弱穩(wěn)定性的限制因素。綜合來看，硫化物有著巨大的開發(fā)潛力，CATL、豐田等國內(nèi)外企業(yè)紛紛加速布局。
豐田、CATL加速布局，未來潛力巨大。硫化物優(yōu)異的性能受到工業(yè)巨頭的青睞，豐田、三星和寧德時(shí)代等企業(yè)深耕已久。
豐田技術(shù)最為領(lǐng)先，2010年就推出硫化物固態(tài)電池，2014年其實(shí)驗(yàn)原型能量密度達(dá)到400Wh/kg。截止到2017年2月，豐田固態(tài)電池專利數(shù)量達(dá)到30件，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它企業(yè)。據(jù)豐田高管透露，豐田將在2020年實(shí)現(xiàn)硫化物固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。
三星研究所也取得了一定成果，利用硫化物類固體電解質(zhì)試制出2000mAh、175Wh/kg的壓層型全固態(tài)二次電池。
國內(nèi)企業(yè)CATL在硫化物固態(tài)電池方面比較成熟，目前正加速開發(fā)EV用的硫化物全固態(tài)鋰金屬電池研發(fā)的步伐。
2.3.氧化物循環(huán)性能良好，適用于薄膜型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
氧化物全固態(tài)鋰電池：氧化物循環(huán)性能良好，技術(shù)壁壘較高，研究仍處于初期階段。氧化物全固態(tài)電池的電解質(zhì)主要是：LiPON、NASICON等，其中LiPON研究最為成熟，以LiPON為電解質(zhì)材料時(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，從而制成薄膜型結(jié)構(gòu)的全固態(tài)鋰電池。
氧化物電池最為突出的就是其優(yōu)異的電池倍率性能及循環(huán)性能，它可以在50C下工作,循環(huán)45000次后,容量保持率達(dá)95%以上。同時(shí)，LiPON對(duì)金屬鋰穩(wěn)定，電化學(xué)窗口寬（相對(duì)于Li+/Li為0~5.5V），對(duì)電子絕緣。此外，氧化物電解質(zhì)對(duì)空氣和熱穩(wěn)定性高，原料成本低，在實(shí)際產(chǎn)業(yè)化方面更易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽?。不過，氧化物的低室溫電導(dǎo)率以及界面問題是氧化物全固態(tài)鋰電池開發(fā)應(yīng)用的主要障礙，目前處于早期研究階段。
氧化物固態(tài)鋰電池的開發(fā)目前主要有美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室，QuantumScape，Sakti3以及中科院。目前已經(jīng)小批量生產(chǎn)的固態(tài)電池主要是以無定形LiPON為電解質(zhì)的薄膜電池，該項(xiàng)技術(shù)界面問題比較難解決，Sakti3稱可以通過單元疊加串聯(lián)的方式，將MWh級(jí)別的薄膜電池組裝成kWh級(jí)別的EV用電池。其它企業(yè)尚未發(fā)現(xiàn)存在可產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從目前來看，室溫離子電導(dǎo)率和界面問題加大了單純的氧化物基固態(tài)電池的開發(fā)難度，目前仍處于處于早期的研究階段。
