固態(tài)鋰電池發(fā)展前景以及優(yōu)點(diǎn)介紹
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2021-06-04 09:56
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固態(tài)鋰電池發(fā)展前景
2020~2025年全固態(tài)鋰電池將量產(chǎn)上車。許多研究者和企業(yè)認(rèn)為，相對(duì)于鋰硫、鋰空、鋁、鎂電池以及并不存在的石墨烯電池，全固態(tài)金屬鋰電池是最具潛力的替代現(xiàn)有高能量密度鋰離子電池的候選技術(shù)，其能量密度有望是現(xiàn)有鋰離子電池的2～5倍，循環(huán)性和服役壽命更長(zhǎng)，倍率性能更高，并可能從本質(zhì)上解決現(xiàn)有液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的安全性問題。
固態(tài)鋰電池起步早，商業(yè)化程度更高，整車成本也更低，且充電可以利用現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)，相比燃料電池整個(gè)加氫和供氫的配套網(wǎng)絡(luò)都要從頭建設(shè)，成本也要更低。
從液態(tài)電解質(zhì)到全固態(tài)鋰電池的發(fā)展是要經(jīng)歷一個(gè)過程的：電解質(zhì)中的電解液含量將逐步下降，從開始的凝膠電解質(zhì)(如PEO)體系逐漸向半固態(tài)發(fā)展，最終過渡到真正的全固態(tài)電池。而在這一過程中，使用的負(fù)極材料也將不斷深化，預(yù)鋰化負(fù)極，乃至無數(shù)科學(xué)家們已經(jīng)探索多年的鋰金屬負(fù)極將成為我們的最終目標(biāo)。在此過程中，電池的能量密度才能最終達(dá)到350，乃至500Wh/kg的愿景。
固態(tài)鋰電池將是未來電池發(fā)展的方向。固態(tài)鋰電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋰電池漸行漸近，基于安全和能量密度上的優(yōu)勢(shì)，固態(tài)電池已成為未來鋰電池發(fā)展的必經(jīng)之路。新型化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω甙踩?、長(zhǎng)壽命鋰二次電池的發(fā)展需求，發(fā)展大容量全固態(tài)鋰電池前沿技術(shù)刻不容緩。
電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)的核心，電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項(xiàng)性能參數(shù)，如功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。相對(duì)于傳統(tǒng)的鋰離子電池，全固態(tài)鋰離子電池最明顯的變化是其電解質(zhì)由原來的電解液變?yōu)榱斯虘B(tài)的電解質(zhì)，使得電池體積大大降低，能量密度也得到提升。
總體來看固態(tài)電池的發(fā)展，電解質(zhì)可能遵循從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)的路徑發(fā)展，最后到全固態(tài)。筆者認(rèn)為，2020年前采用高鎳正極+準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負(fù)極實(shí)現(xiàn)300Wh/Kg，2025年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負(fù)極電池實(shí)現(xiàn)400Wh/Kg，2030年前燃料/鋰硫/空氣電池實(shí)現(xiàn)500Wh/Kg。
固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢(shì)
●固態(tài)鋰電池生產(chǎn)成本相對(duì)較低，此外其重復(fù)充電利用非常方便，相比其他可攜帶能源，其具有更高的成本效益。
●傳統(tǒng)鋰電池，因?yàn)殡娊赓|(zhì)首要是電解液，導(dǎo)致存在易燃、不穩(wěn)定、環(huán)保型差等，對(duì)比傳統(tǒng)鋰電池，全固態(tài)鋰電池在能量密度、安全性、環(huán)保性等方面，均更具優(yōu)勢(shì)。
●全固態(tài)鋰離子電池使用固態(tài)電解質(zhì)，不易燃、無腐蝕、不揮發(fā)泄露，具備固有安全性與更長(zhǎng)的使用壽命。
相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池，固態(tài)鋰電池具有顯著優(yōu)點(diǎn)
(1)高安全性能：傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機(jī)液體電解液，在過度充電、內(nèi)部短路等異常的情況下，電池容易發(fā)熱，造成電解液氣脹、自燃甚至爆炸，存在嚴(yán)重的安全隱患。而很多無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}，聚合物固體電解質(zhì)相比于含有可燃溶劑的液態(tài)電解液，電池安全性也大幅提高。
(2)高能量密度：固態(tài)鋰電池負(fù)極可采用金屬鋰，電池能量密度有望達(dá)到300～400Wh/kg甚至更高;其電化學(xué)穩(wěn)定窗口可達(dá)5V以上，可匹配高電壓電極材料，進(jìn)一步提升質(zhì)量能量密度;沒有液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，減輕電池重量，壓縮電池內(nèi)部空間，提高體積能量密度;安全性提高，電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊得到簡(jiǎn)化，提高系統(tǒng)能量密度。
(3)循環(huán)壽命長(zhǎng)：有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)形成和生長(zhǎng)SEI膜的問題和鋰枝晶刺穿隔膜問題，大大提升金屬鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。
(4)工作溫度范圍寬：固態(tài)鋰電池針刺和高溫穩(wěn)定性極好，如全部采用無機(jī)固體電解質(zhì)，最高操作溫度有望達(dá)到300℃，從而避免正負(fù)極材料在高溫下與電解液反應(yīng)可能導(dǎo)致的熱失控。
(5)生產(chǎn)效率提高：無需封裝液體，支持串行疊加排列和雙極機(jī)構(gòu)，可減少電池組中無效空間，提高生產(chǎn)效率。
(6)具備柔性優(yōu)勢(shì)：全固態(tài)鋰電池可以制備成薄膜電池和柔性電池，相對(duì)于柔性液態(tài)電解質(zhì)鋰電池，封裝更為容易、安全，未來可應(yīng)用于智能穿戴和可植入式醫(yī)療設(shè)備等。
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