固態(tài)電池會成為三元鋰電的終結(jié)者嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-06 15:56
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鋰離子電池因其具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)效率高，循環(huán)壽命長等特點，頗受新能源汽車產(chǎn)業(yè)的青睞，市場發(fā)展?jié)摿薮蟆?/div>
但目前的鋰離子電池技術(shù)尚未成熟，安全性不穩(wěn)定的問題仍然存在。
再加上電池“不定期起火”事故頻現(xiàn)，一直刺激著消費者的神經(jīng)，而發(fā)展固態(tài)電池技術(shù)或?qū)⒊蔀槠平怆妱榆嚢踩珕栴}的新選擇。
“現(xiàn)在所使用的鋰離子電池成本較高，技術(shù)也不成熟，所產(chǎn)的鋰離子電池存在不少安全隱患。”哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王振波表示。
據(jù)了解，近年來大型動力電池事故頻發(fā)，很大程度上是由于電池內(nèi)部使用液態(tài)電解質(zhì)。
“是否安全對鋰離子電池儲能來說非常關(guān)鍵。”清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮強調(diào)，“目前市場上商用的鋰離子電池一般都采用有機液態(tài)電液，它的缺點是易燃燒，還可能滲漏液體，造成環(huán)境污染。”
兩個月前在韓國靈巖發(fā)生的鋰離子電池設(shè)備起火事件似乎印證了這一說法。
“目前選擇使用的液態(tài)有機電解液易燃易爆，用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液，是我們公認可以提升鋰電池安全性能最為有效的方法之一。”中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所副研究員董衫木表示。
固態(tài)電解質(zhì)不易燃，還不會產(chǎn)生液態(tài)電解液，因此不帶腐蝕性，是解決電池安全性問題的有效方法，也符合未來電池發(fā)展的趨勢。
高安全性是儲能電池應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，固態(tài)化是解決二次電池安全性的最佳途徑。固態(tài)鋰電池已進入全球加快布局和研發(fā)的階段，很多著名機構(gòu)都在開發(fā)固態(tài)鋰電池。
目前，包括德國大眾、韓國三星、日本豐田和我國寧德時代在內(nèi)的眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，已有部分電池進入裝車測試階段。盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問題，發(fā)展固態(tài)電池的道路絕非一帆風(fēng)順。
首先，高效的電解質(zhì)材料體系缺乏。目前固態(tài)電池材料發(fā)展很快，但綜合應(yīng)用較為欠缺。
作為固態(tài)電池的核心材料，目前在固體鋰離子導(dǎo)體的單一指標上已有所突破，但綜合性能尚不能滿足大規(guī)模儲能需求?，F(xiàn)今固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的差距。
其次，固態(tài)電解質(zhì)和電極的界面處理也是固態(tài)電池目前面臨的一大難題。
在固體電解質(zhì)中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過程中電解質(zhì)體積的變化容易破壞界面的穩(wěn)定。
此外，在固態(tài)鋰電池中，除了電解質(zhì)和電極之間的界面，電極內(nèi)部還存在復(fù)雜的多級界面，電化學(xué)以及形變等因素都會導(dǎo)致接觸失效影響電池性能。
第三，長期使用時穩(wěn)定性不理想也是長壽命儲能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。
固態(tài)電池在服役過程中結(jié)構(gòu)與界面會隨時間發(fā)生退化，但退化對電池綜合性能的影響機制尚不明確，難以實現(xiàn)長效應(yīng)用。而構(gòu)建高性能固態(tài)電池需要從兩方面入手，一是構(gòu)建高性能的固態(tài)電解質(zhì)，二是提高界面的相容性和穩(wěn)定性。
針對固態(tài)電池，我們要從最基礎(chǔ)的材料、界面、單體，一直到最終的系統(tǒng)模塊進行研究，只有從根本上解決了關(guān)鍵材料和界面問題，才能開展系統(tǒng)的工藝研究，從而滿足單電池的性能要求。
而面對發(fā)展過程中接連不斷的挑戰(zhàn)，各種新技術(shù)“百家爭鳴”，一些固態(tài)電池技術(shù)有了最新突破。
比如，在固體電解質(zhì)材料上，業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)基于石榴石結(jié)構(gòu)的鋰鑭鋯氧（LLZO）固體電解質(zhì)體系的固態(tài)電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，它也因此成為一大技術(shù)熱點。
LLZO是一種性能優(yōu)異的填料，能夠提高聚合物基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的性能?；贚LZO的固態(tài)電池循環(huán)1000次后容量仍能保持81%。
“通過聚合物和聚合物之間，以及聚合物和無機顆粒之間的路易斯酸堿相互作用，可為鋰離子傳輸創(chuàng)造新通道，大幅提升電解質(zhì)的綜合性能。”
而界面處理的研究熱點主要集中在界面設(shè)計及修飾層上，目前凝膠化的界面設(shè)計已經(jīng)取得了較好成果。
通過凝膠態(tài)的聚合物對界面進行修飾，增加接觸面積的同時還可以緩沖循環(huán)過程中的體積效應(yīng)，在室溫下經(jīng)過300次循環(huán)，基本無退化，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計較好的改善了電池性能。
