鋰離子電池發(fā)展仍然艱難，全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化還遙不可及
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-13 11:19
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鋰電池發(fā)展到今天，幾乎已經(jīng)滲透到了我們?nèi)粘Ｉ钪?，隨處可見的數(shù)碼產(chǎn)品無不采用鋰電池作為能量來源，鋰電池促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也給人們?nèi)粘Ｉ顜砹烁嗟谋憷?，但幾乎每年都出現(xiàn)過鋰電池自燃甚至爆炸等安全事件，傳統(tǒng)鋰電池在日常使用中仍然有很大的安全隱患。
盡管傳統(tǒng)鋰離子電池中的液體電解質(zhì)能夠提供較高的電導(dǎo)率以及良好的界面接觸，但其易泄漏、易揮發(fā)、易燃、安全性差等問題阻礙了電池的進一步發(fā)展。而固態(tài)鋰電池因其良好的安全性能、柔順性、能很好地抑制鋰枝晶現(xiàn)象等的優(yōu)勢，受到了廣泛的關(guān)注。
其實固態(tài)鋰電池的研發(fā)早已開始，1973年，F(xiàn)enton等人發(fā)現(xiàn)通過將PEO與堿金屬鈉鹽絡(luò)合可以形成具有離子導(dǎo)電性的電解質(zhì)；1979年，Armand等人正式提出將聚合物電解質(zhì)用于鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)，從此鋰電池用全固態(tài)聚合物電解質(zhì)引發(fā)了國內(nèi)外的廣泛研究。
這一般被稱作第一代固態(tài)電池，也叫做有機聚合物電解質(zhì)電池，但因其電導(dǎo)率實在是太低以及氧化電位窗口不高的問題，僅能產(chǎn)出一些容量十分小的電池產(chǎn)品，現(xiàn)在大多數(shù)已經(jīng)淘汰。
到了第二代，也叫做凝膠聚合物電解質(zhì)電池，在第一代以及別的改良基礎(chǔ)上，用增塑劑在聚合物之中“造孔”，使得電解液在其中“流動”以增大電導(dǎo)率，其中雖然有液體，但實際上并不能流動，整體更像是膠狀，也是凝膠電池的名稱由來。
要注意的是：一些鋰聚合物電池的定義是正極材料、負極材料與電解質(zhì)材料中有一項是高分子材料，這種定義下的鋰聚合物電池有可能正極是高分子材料，而電解質(zhì)依舊是液體。
第三代，便是真正的全固態(tài)電池，目前全球有很多企業(yè)都在研究，并做出了不少樣品，可惜暫時沒有商用成果。
那么鋰離子電池、鋰聚合物電池、凝膠電池和固態(tài)電池，究竟是什么關(guān)系？確切的說，凝膠電池屬于鋰聚合物電池這一大類，歸屬于固態(tài)鋰電池，而固態(tài)鋰電池與液體鋰電池（傳統(tǒng)鋰電池）區(qū)別于之前的鎳氫電池等都叫做鋰離子電池。
目前的鋰聚合物電池還不能叫做全固態(tài)電池，除了結(jié)構(gòu)差異外，是因為其綜合性能達不到人們的預(yù)想，工信部頒布的《中國制造2025》指明：“到2025年、2030年，我國動力電池單體能量密度分別需達到400Wh/kg、500Wh/kg。”指標分別對應(yīng)當前乘用車動力電池單體平均水平170Wh/kg的2-3倍。
科學(xué)界嘗試過很多種增加鋰聚合物電池性能的方法，凝膠電池的“加入增塑劑”只是其中一種方法，除此之外還有共混、共聚、交聯(lián)、有機無機復(fù)合等手段，因其方法的不同，電池的各方面性能也不同。
但隨著科學(xué)發(fā)展，人們的視野已經(jīng)遠離了普通聚合物材料，Li-S材料、氧化物材料以及石墨烯等等都成為了熱門的研究方向，說不定就會成為未來全固態(tài)電池的一個突破口，愿科技改變生活！
聚合物通常是指某些類型的鋰基電池，這些通常被大家知道的是袋式或是棱柱形電池。鋰聚合物與所用電解質(zhì)類型的其他電池系統(tǒng)不同。最初的聚合物設(shè)計可追溯到20世紀70年代，使用的固體（干）聚合物電解質(zhì)類似于塑料薄膜。該絕緣體允許交換離子（帶電原子）并取代傳統(tǒng)的用電解質(zhì)浸泡的多孔隔板。
固體聚合物在室溫下導(dǎo)電性差，電池必須加熱到60°C（140°F）或更高，以使電流流動。安裝了用于固定應(yīng)用的大型聚合物電池，需要加熱，但這些已經(jīng)消失。在21世紀初承諾的“真正的塑料電池”備受期待的炒作沒有實現(xiàn)，因為在環(huán)境溫度下無法獲得導(dǎo)電性。
為了使現(xiàn)代鋰聚合物電池在室溫下導(dǎo)電，添加了凝膠電解質(zhì)。目前大多數(shù)鋰離子聚合物電池都含有微孔分離器和一些水分。鋰聚合物可以建立在許多系統(tǒng)上，如Li-cobalt，NMC，Li-phosphate和Li-manganese，并且不被認為是獨特的電池化學(xué)。大多數(shù)鋰聚合物包裝是鈷基的， 也可以添加其他活性材料。
添加凝膠電解質(zhì)的普通鋰離子和鋰離子聚合物有什么區(qū)別？
就用戶而言，鋰聚合物與鋰離子基本相同。兩種使用相同的陰極和陽極材料并含有相似量的電解質(zhì)。
鋰聚合物的獨特之處在于微孔電解質(zhì)取代了傳統(tǒng)的多孔隔膜。鋰聚合物提供稍高的比能，并且可以制造得比傳統(tǒng)的鋰離子更薄，但據(jù)說制造成本高于圓柱形設(shè)計。出于討論的目的，袋式電池通常被鑒定為Li-聚合物。
鋰聚合物電池也采用柔性箔狀外殼，類似于食品包裝。雖然標準鋰離子電池需要剛性外殼將電極壓在一起，但鋰聚合物使用不需要壓縮的層壓板。與傳統(tǒng)硬殼相比，鋁箔式外殼可減輕20％以上的重量。薄膜技術(shù)解放了設(shè)計，因為電池可以制成任何形狀，整齊地裝入時尚的手機和平板電腦等。鋰聚合物也可以做得非常纖薄，類似于信用卡（參見袋式電池）。重量輕，比功率高，使鋰聚合物成為業(yè)余愛好者的首選。
鋰聚合物的充電和放電特性與其他鋰離子系統(tǒng)相同，不需要專用充電器。安全問題也類似，都是需要保護電路。注意了：充電過程中的氣體積聚會導(dǎo)致一些棱柱形和袋狀電池膨脹，所以，設(shè)備制造商必須考慮擴展。
