下一代電池技術(shù)會(huì)更安全可靠嗎？氧化物固態(tài)電池橫空出世
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-24 03:02
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目前國內(nèi)已經(jīng)有多家動(dòng)力電池廠商推出了重量能量密度在300Wh/kg以上的動(dòng)力電池產(chǎn)品，以滿足電動(dòng)汽車日益增加的續(xù)航里程對(duì)高能量密度動(dòng)力電池的需求，但是基于液態(tài)電解液的鋰離子電池能量密度馬上要觸碰到天花板，目前普遍認(rèn)為現(xiàn)有的鋰離子電池體系的能量密度上限是350Wh/kg，要進(jìn)一步提升電池的能量密度就需要采用新的體系，從現(xiàn)有的技術(shù)來看，基于固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)電池技術(shù)是最有希望的下一代電池技術(shù)候選者，包括崔屹、Goodenough等一批頂尖學(xué)者都對(duì)全固態(tài)技術(shù)抱以厚望。
全固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)，相比于液態(tài)電解質(zhì)其機(jī)械強(qiáng)度更高，能夠抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，因此理論上全固態(tài)電池可以通過采用Li金屬負(fù)極達(dá)到500Wh/kg以上的能量密度，但是實(shí)際上固態(tài)電池還存在諸多問題需要克服，例如界面接觸問題、固態(tài)電池生產(chǎn)工藝和固態(tài)電解質(zhì)膜薄化等等，因此目前絕大多固態(tài)電池仍然處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。
固態(tài)電解質(zhì)從成分上主要可以分為氧化物類、硫化物類和有機(jī)聚合物類，其中氧化物電解質(zhì)由于高電導(dǎo)率和良好的環(huán)境適應(yīng)性得到了廣泛的研究，今天我們就來分析一下氧化物電解質(zhì)的量產(chǎn)技術(shù)和成本。
首先我們來對(duì)比一下氧化物類、硫化物類和有機(jī)聚合物類固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)（如下表所示），聚合物類電解質(zhì)在加工性上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他兩類電解質(zhì)，但是聚合物電解質(zhì)在常溫下電導(dǎo)率較低，對(duì)電池的放電能力有一定的影響，硫化物電解質(zhì)電導(dǎo)率優(yōu)異，加工性能較好，但是在大氣環(huán)境中會(huì)與空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)，生成劇毒的H2S氣體，因此生產(chǎn)過程需要在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，氧化物固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率優(yōu)異，空氣環(huán)境中的穩(wěn)定性優(yōu)異，但是加工性能較差。
固態(tài)電解質(zhì)相對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率較低，因此為了降低電池的內(nèi)阻，提高電池的大電流放電能力，需要將固態(tài)電解質(zhì)膜盡可能的做薄，固態(tài)電解質(zhì)的面電阻可以通過下式計(jì)算，其中L為電解質(zhì)的厚度，δ為電解質(zhì)的電導(dǎo)率，我們以電導(dǎo)率為20mS/cm，厚度為25um液態(tài)電解質(zhì)為例，其面電阻為0.125Ω/cm2，但是實(shí)際上由于液態(tài)電解質(zhì)采用的隔膜孔隙的迂曲度較大，因此實(shí)際上電解液的面電阻可達(dá)3.75Ω/cm2，而固態(tài)電解質(zhì)不需要采用隔膜，因此要實(shí)現(xiàn)與電解液相同的面電阻，固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率可以更低一些，我們以10um的固態(tài)電解質(zhì)為例，要達(dá)到與電解液相近的效果，僅需要電導(dǎo)率達(dá)到0.27mS/cm。
氧化物固態(tài)固態(tài)電池制備面臨的問題主要是如何獲得更低孔隙率和更高電導(dǎo)率的電解質(zhì)層，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，燒結(jié)是常用的方式，但是近年來的研究表明在高溫下大多數(shù)的正極材料都會(huì)與固態(tài)電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，例如LNMO與LLZ在600℃以上會(huì)發(fā)生反應(yīng)，NCM622材料與LLZ在700℃以上時(shí)就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，但是為了降低固態(tài)電解質(zhì)的孔隙率和提高電導(dǎo)率燒結(jié)溫度通常需要達(dá)到1000℃以上，因此氧化物固態(tài)電池的正極制備并不能通過簡(jiǎn)單的燒結(jié)進(jìn)行解決，而需要采用更加復(fù)雜的工藝。
全固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)，相比于液態(tài)電解質(zhì)其機(jī)械強(qiáng)度更高，能夠抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，因此理論上全固態(tài)電池可以通過采用Li金屬負(fù)極達(dá)到500Wh/kg以上的能量密度，但是實(shí)際上固態(tài)電池還存在諸多問題需要克服，例如界面接觸問題、固態(tài)電池生產(chǎn)工藝和固態(tài)電解質(zhì)膜薄化等等，因此目前絕大多固態(tài)電池仍然處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。
固態(tài)電解質(zhì)從成分上主要可以分為氧化物類、硫化物類和有機(jī)聚合物類，其中氧化物電解質(zhì)由于高電導(dǎo)率和良好的環(huán)境適應(yīng)性得到了廣泛的研究，今天我們就來分析一下氧化物電解質(zhì)的量產(chǎn)技術(shù)和成本。
首先我們來對(duì)比一下氧化物類、硫化物類和有機(jī)聚合物類固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)（如下表所示），聚合物類電解質(zhì)在加工性上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他兩類電解質(zhì)，但是聚合物電解質(zhì)在常溫下電導(dǎo)率較低，對(duì)電池的放電能力有一定的影響，硫化物電解質(zhì)電導(dǎo)率優(yōu)異，加工性能較好，但是在大氣環(huán)境中會(huì)與空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)，生成劇毒的H2S氣體，因此生產(chǎn)過程需要在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，氧化物固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率優(yōu)異，空氣環(huán)境中的穩(wěn)定性優(yōu)異，但是加工性能較差。
固態(tài)電解質(zhì)相對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率較低，因此為了降低電池的內(nèi)阻，提高電池的大電流放電能力，需要將固態(tài)電解質(zhì)膜盡可能的做薄，固態(tài)電解質(zhì)的面電阻可以通過下式計(jì)算，其中L為電解質(zhì)的厚度，δ為電解質(zhì)的電導(dǎo)率，我們以電導(dǎo)率為20mS/cm，厚度為25um液態(tài)電解質(zhì)為例，其面電阻為0.125Ω/cm2，但是實(shí)際上由于液態(tài)電解質(zhì)采用的隔膜孔隙的迂曲度較大，因此實(shí)際上電解液的面電阻可達(dá)3.75Ω/cm2，而固態(tài)電解質(zhì)不需要采用隔膜，因此要實(shí)現(xiàn)與電解液相同的面電阻，固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率可以更低一些，我們以10um的固態(tài)電解質(zhì)為例，要達(dá)到與電解液相近的效果，僅需要電導(dǎo)率達(dá)到0.27mS/cm。
氧化物固態(tài)固態(tài)電池制備面臨的問題主要是如何獲得更低孔隙率和更高電導(dǎo)率的電解質(zhì)層，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，燒結(jié)是常用的方式，但是近年來的研究表明在高溫下大多數(shù)的正極材料都會(huì)與固態(tài)電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，例如LNMO與LLZ在600℃以上會(huì)發(fā)生反應(yīng)，NCM622材料與LLZ在700℃以上時(shí)就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，但是為了降低固態(tài)電解質(zhì)的孔隙率和提高電導(dǎo)率燒結(jié)溫度通常需要達(dá)到1000℃以上，因此氧化物固態(tài)電池的正極制備并不能通過簡(jiǎn)單的燒結(jié)進(jìn)行解決，而需要采用更加復(fù)雜的工藝。
