我國通過政策的引導(dǎo)和扶持，已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車市場?；谡叩贡坪?a href="http://www.pdszhhs.com">動力電池技術(shù)本身的進步，電動車用單體電池的能量密度將會于2020年達到300wh/kg。磷酸鐵鋰電池終將被三元鋰電池替代，而具有高理論能量密度和高安全性的固態(tài)電池能否成為下一代的動力電池呢?

 

目前，我國新能源汽車廠商選用的電池體系主要有三元材料/石墨體系，磷酸鐵鋰/石墨體系和三元/鈦酸鋰體系電池三種。選用三元電池的代表車企有吉利、長安、北汽、上汽、江淮等公司，選用磷酸鐵鋰電池的代表車企是比亞迪，三元/鈦酸鋰電池的車企則是珠海銀隆。

 

2017年3月份，國家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進汽車動力電池發(fā)展行動方案》，指出到2020年，要求新型鋰離子動力申池單體比能量超過300Wh/Kg；系統(tǒng)比能量力爭達到260Wh/Kg。

 

根據(jù)三種電池的原材料本身性質(zhì)進行判斷，單體比能量超過300Wh/Kg對磷酸鐵鋰和鈦酸鋰電池來說是無法達到的，目前只有三元材料能夠達到這樣的要求。以上是三種鋰電池材料體系的比較，三元電池雖以能量密度超越其他電池，但是其采用的是液態(tài)電解質(zhì)，存在較大的安全隱患。業(yè)內(nèi)對于固態(tài)電解質(zhì)能夠解決鋰電池安全問題保持一致的看法。

 

固態(tài)電池并不是一個新穎的概念，早在2012年蘋果公司就已經(jīng)對固態(tài)電池開始了專利布局。固態(tài)電池是采用固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)的電池。固態(tài)電池的正極材料與液態(tài)電解質(zhì)電池沒有太大差別，負極材料主要選用鋰金屬、鋰合金或石墨烯等。這么多有利的因素，組合在一起就構(gòu)成了固態(tài)鋰離子電池。目前固態(tài)鋰電池可以分為無機固態(tài)電解質(zhì)電池和聚合物固態(tài)鋰電池兩種。固態(tài)鋰電池的發(fā)展主要還是依賴于固體電解質(zhì)的材料的發(fā)展。

 

全固態(tài)鋰電池介紹及電解質(zhì)深度解析

 

一、固態(tài)電解質(zhì)材料

 

對于固態(tài)電池來說，選用合適的固態(tài)電解質(zhì)材料是電池設(shè)計的核心內(nèi)容，一般對電解質(zhì)的性能要求有以下：

 

(1)具有高的室溫電導(dǎo)率;

 

(2)電子無法通過，鋰離子能夠通過；

 

(3)電化學(xué)窗口寬；

 

(4)與電極材料相容性好；

 

(5)熱穩(wěn)定性好、耐潮濕環(huán)境、機械性能優(yōu)良；

 

(6)原料易得，成本較低，合成方法簡單。

 

1.聚合物電解質(zhì)

 

在有機聚合物基鋰離子導(dǎo)體中，鋰離子以鋰鹽的形式“溶于”聚合物基體。電導(dǎo)率是表征電解質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)，而傳輸速率主要受到與基體相互作用及鏈段活動能力的影響。提高鏈段的活動性有利于提高鋰離子電導(dǎo)率。

 

目前，研究較多的聚合物固體電解質(zhì)是PEO（聚環(huán)氧乙烷）及其衍生物絡(luò)合鋰鹽類聚合物電解質(zhì)。PEO類聚合物在較高的溫度下也有很好的離子電導(dǎo)率，且加工性能好。但PEO類聚合物電解質(zhì)也存在室溫離子電導(dǎo)率低、與金屬鋰負極的相容性差等問題。

 

2.無機固態(tài)電解質(zhì)

 

無機固態(tài)電解質(zhì)材料中，早期開發(fā)的鹵化物電解質(zhì)電導(dǎo)率較低。這些早期開發(fā)的材料還存在化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、制備困難等問題。

 

全固態(tài)鋰電池介紹及電解質(zhì)深度解析

 

硫化物電解質(zhì)和氧化物電解質(zhì)都包含有玻璃、陶瓷及玻璃-陶瓷（微晶玻璃）3種不同結(jié)晶狀態(tài)的材料?？偟膩碚f，由于S相對于O對Li的束縛作用較弱，有利于Li+的遷移，因此硫化物的電導(dǎo)率往往顯著高于同種類型的氧化物。

 

氧化物電解質(zhì)對空氣和熱穩(wěn)定性高，原料成本低，更易實現(xiàn)規(guī)?；苽洹Ｔ谘趸镫娊赓|(zhì)中，非晶（玻璃）態(tài)氧化物電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率較低，且對空氣中的水汽較敏感，制備往往需要高溫淬冷，難以應(yīng)用于實際電池。

 

在氧化物中，鋰離子在尺寸大得多的O2-構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)間隙進行傳導(dǎo)，減弱Li-O相互作用、實現(xiàn)鋰離子的三維傳輸及優(yōu)化傳輸通道中鋰離子與空位濃度的比例均有利于提高鋰離子的電導(dǎo)率?；谶@些理念，一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的氧化物鋰離子導(dǎo)體材料相繼出現(xiàn)，其中具有代表性的包括石榴石型結(jié)構(gòu)體系、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)體系、鈉快離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體系。然而，這些材料中，只有石榴石型結(jié)構(gòu)體系的材料對金屬鋰穩(wěn)定。另兩種結(jié)構(gòu)體系中電導(dǎo)率較高的材料均含有可被金屬鋰還原的Ti、Ge等元素。此外，石榴石型結(jié)構(gòu)體系材料對空氣有較好的穩(wěn)定性，原料成本低，燒結(jié)體具有較高的機械強度，因此具備作為理想固態(tài)電解質(zhì)廣泛應(yīng)用于全固態(tài)鋰電池的潛力。

 

全固態(tài)鋰電池介紹及電解質(zhì)深度解析

 

二、待解決的問題

 

將固態(tài)電解質(zhì)引入鋰電池是為了突破目前有機電解液存在的種種限制，提高電池的能量密度、功率密度、工作溫度范圍和安全性。然而，真正實現(xiàn)這些目標，仍需首先解決現(xiàn)有電解質(zhì)材料本身以及與電極界面存在的一些問題。

 

例如，提高能量密度需要使用低電位、大容量的負極材料，以及高電位、大容量的正極材料，這樣的情況下，存在高電壓的情況，聚合物和硫化物有限的電化學(xué)窗口往往難以直接應(yīng)用的問題。提高功率密度則需要提高電解質(zhì)電導(dǎo)率，這依舊是個很大的難題。

 

三、總結(jié)

 

全固態(tài)鋰電池具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。全固態(tài)鋰電池當前能量密度約400Wh/Kg，預(yù)估最大潛力值達900Wh/Kg。但是固態(tài)電池在提升能量密度、功率密度等方面還存在一些待解決的問題，需要從固態(tài)電解質(zhì)、正負極材料上著手，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。

 

固態(tài)電池

 

 

在固態(tài)離子學(xué)中，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解液的電池。固態(tài)電池一般功率密度較低，能量密度較高。由于固態(tài)電池的功率重量比較高，所以它是電動汽車很理想的電池 。

2020年固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)有望取得突破性進展，在成本、能量密度和生產(chǎn)過程等方面進一步趕超鋰離子電池技術(shù)。

2030年，鋰離子電池將不再是電動汽車電池主流，但其在某些電子原件領(lǐng)域仍有一席之地。[1] 

 

歷程

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從1991年索尼公司將含有液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池帶入電子設(shè)備的應(yīng)用至今，液態(tài)鋰電池已經(jīng)成為目前最為成熟、使用最廣泛的技術(shù)路線之一。

在2010年，豐田就曾推出過續(xù)航里程可超過1000KM的固態(tài)電池。而包括QuantumScape以及Sakti3所做的努力也都是在試圖用固態(tài)電池來取代傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池。

加拿大Avestor公司也曾嘗試過研發(fā)固態(tài)鋰電池，最終2006年正式申請破產(chǎn)。Avestor公司使用一種高分子聚合物分離器，代替電池中的液體電解質(zhì)，但一直沒有解決安全問題，在北美地區(qū)發(fā)生過幾起電池燃燒或者爆炸事件。

2015年3月中旬，真空吸塵器的發(fā)明者、英國戴森公司（Dyson）創(chuàng)始人詹姆斯·戴森將其首筆1500萬美元的投資投向了固態(tài)電池公司Sakti3，后者是一家成立于2007年的電池創(chuàng)業(yè)公司。

 

原理

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傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池又被科學(xué)家們形象地稱為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。而鋰離子就像優(yōu)秀的運動員，在搖椅的兩端來回奔跑，在鋰離子從正極到負極再到正極的運動過程中，電池的充放電過程便完成了。

固態(tài)電池的原理與之相同，只不過其電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態(tài)電池體積將變得更小。不僅如此，固態(tài)電池中由于沒有電解液，封存將會變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕重量。

 

優(yōu)勢

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據(jù)其官方稱，Sakti3已制造出能量密度達1100瓦時/升的電池，這一能量密度幾乎是目前鋰離子電池的2倍。美國佛羅里達大學(xué)的電池專家、材料科學(xué)教授凱文·瓊斯（KevinJones）認為：如果電池蓄電量能像Sakti3提出的那樣多，那么電動汽車的購買和使用成本就有可能與普通汽車相同。

而且固態(tài)電池還有另一項優(yōu)勢——在事故中損壞時不易爆炸或起火。要知道的是，在此之前，在新能源汽車領(lǐng)域與特斯拉同樣享有盛名的菲斯科，后來之所以會破產(chǎn)并慢慢銷聲匿跡，在很大程度上就是因為其頻繁出現(xiàn)的電池起火事件以及其他故障。

 

爭議

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固態(tài)電池可能是未來電池技術(shù)的發(fā)展方向之一，但也許不是最好的。”上述新能源生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)人員稱，“包括燃料電池、超級電容器、鋁空氣電池、鎂電池在理念上都有較大的發(fā)展空間，而最終，要看哪種路線發(fā)展更快、更接地氣。”所謂接地氣，就是在商業(yè)化的規(guī)模和成本方面都能達到完美的平衡點。首先，使用的材料必須不能是高成本且稀有的。其次，要在各個行業(yè)和領(lǐng)域都有實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的可能。

或許，現(xiàn)在最具考驗的地方在于價格。液態(tài)鋰電池的成本大約在200~300美元/千瓦時，如果使用現(xiàn)有技術(shù)制造足以為智能手機供電的固態(tài)電池，其成本會達到1.5萬美元，而足以為汽車供電的固態(tài)電池成本更是達到令人咋舌的9000萬美元。

Sastry表示，固態(tài)電池生產(chǎn)成本居高不下的一個重要原因在于生產(chǎn)效率低下。按照Sastry的規(guī)劃，Sakti3最終將會把電池的成本降低至100美元/千瓦時，不過，她并沒有給出最終的時間。

從理論的提出時間來看，固態(tài)電池并不是一個新的概念，但多年來，研發(fā)上的進展并沒有想象那么快速。韓國三星的一位技術(shù)人員認為，即便Sakti3最終能做到成本上的降低，電池從實驗室到最終的量產(chǎn)也需要不短的時間。正如液態(tài)鋰電池，在上世紀70年代，相關(guān)的理念和實驗認證就在齊頭并進地推進，但真正大規(guī)模的使用，已經(jīng)是20世紀末了。