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固态电池研发及产业化现状分析

导读: 全固态锂电池,是一种使用固体电极材料和固体电解质材料,不含有任何液体的锂电池,主要包括全固态锂离子电池和全固态金属锂电池,差别在于前者负极不含金属锂,后者负极为金属锂。

一、固态锂电池概述

全固态锂电池,是一种使用固体电极材料和固体电解质材料,不含有任何液体的锂电池,主要包括全固态锂离子电池和全固态金属锂电池,差别在于前者负极不含金属锂,后者负极为金属锂。

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在目前各种新型电池体系中,固态电池采用全新固态电解质取代当前有机电解液和隔膜,具有高安全性、高体积能量密度,同时与不同新型高比能电极体系(如锂硫体系、金属-空气体系等)具有广泛适配性,可进一步提升质量能量密度,从而有望成为下一代动力电池的终极解决方案,引起日本、美国、德国等众多研究机构、初创公司和部分车企的广泛关注。

二、固态锂电池的优势及目前存在的技术缺陷

相比于传统的锂离子电池,固态锂电池具有显著优点:

(1)高安全性能:传统锂离子电池采用有机液体电解液,在过度充电、内部短路等异常的情况下,电池容易发热,造成电解液气胀、自燃甚至爆炸,存在严重的安全隐患。而很多无机固态电解质材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,聚合物固体电解质相比于含有可燃溶剂的液态电解液,电池安全性也大幅提高。

(2)高能量密度:固态锂电池负极可采用金属锂,电池能量密度有望达到300~400Wh/kg甚至更高;其电化学稳定窗口可达5V以上,可匹配高电压电极材料,进一步提升质量能量密度;没有液态电解质和隔膜,减轻电池重量,压缩电池内部空间,提高体积能量密度;安全性提高,电池外壳及冷却系统模块得到简化,提高系统能量密度。

(3)循环寿命长:有望避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长SEI膜的问题和锂枝晶刺穿隔膜问题,大大提升金属锂电池的循环性和使用寿命。

(4)工作温度范围宽:固态锂电池针刺和高温稳定性极好,如全部采用无机固体电解质,最高操作温度有望达到300℃,从而避免正负极材料在高温下与电解液反应可能导致的热失控。

(5)生产效率提高:无需封装液体,支持串行叠加排列和双极机构,可减少电池组中无效空间,提高生产效率。

(6)具备柔性优势:全固态锂电池可以制备成薄膜电池和柔性电池,相对于柔性液态电解质锂电池,封装更为容易、安全,未来可应用于智能穿戴和可植入式医疗设备等。

尽管全固态锂电池在多方面表现出明显优势,但同时也有一些迫切需要解决的问题:

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对于全固态电池的研发来说,解决上述问题的核心在于固态电解质材料发展以及界面性能的调控与优化。

三、固态锂电池的技术路径和研究热点

3.1 固态电解质材料技术路径

电解质材料的性能很大程度上决定了电池的功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能及使用寿命。常见的固态电解质可分为聚合物类电解质和无机物电解质两大类。

聚合物固态电解质

由于聚氧乙烯(PEO)相比于其它聚合物基体具有更强的解离锂盐的能力,且对锂稳定,因此目前研究热点以PEO及其衍生物为主。

聚合物电解质润湿电极能力差, 活性材料脱嵌锂必须通过极片传输到电极表面进行, 使得电池工作过程中极片内活性物质的容量不能完全发挥,将电解质材料混入电极材料中或者替代粘结剂, 制备成复合电极材料, 填补电极颗粒间的空隙, 模拟电解液润湿过程, 是提高极片中锂离子迁移能力及电池容量发挥的一个有效方法。PEO 基电解质由于结晶度高,导致室温下导电率低,因此工作温度通常需要维持在 60~85℃,电池系统需装配专门的热管理系统。此外,PEO的电化学窗口狭窄,难以与高能量密度正极匹配,因此需对其改性。

目前成熟度最高的BOLLORE的PEO基电解质固态电池已经商用,于英国少量投放城市租赁车,其工作温度要求60~80℃,正极采用LFP和LixV2O8,但目前Pack能量密度仅为100Wh/kg。

无机固体电解质

无机固态电解质主要包括氧化物和硫化物。氧化物固体电解质按照物质结构可以分为晶态和非晶态两类,其中研究热点是用在薄膜电池中的LiPON型电解质。

以LiPON为电解质材料制备的氧化物电池倍率性能及循环性能都比较优异,但正负极材料必须采用磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积等方法制成薄膜电极,同时不能像普通锂离子电池工艺一样加入导电材料, 且电解质不能浸润电极, 使得电极的锂离子及电子迁移能力较差,只有正负极层都做到超薄,电池电阻才能降低。因此, 无机LiPON 薄膜固态锂电池的单个电池容量不高,不适合用于制备Ah级动力电池领域。

硫化物固态电解质由氧化物固态电解质衍生而来,由于硫元素的电负性比氧元素小,对锂离子的束缚较小,有利于得到更多自由移动的锂离子。同时,硫元素半径大于氧元素,可形成较大的锂离子通道从而提升导电率。目前三星、松下、日立造船+本田、Sony都在进行硫化物无机固态电解质的研发。但空气敏感性、易氧化、高界面电阻、高成本带来的挑战并不容易在短期内彻底解决,因此距离硫化物电解质的全固态锂电池最终获得应用仍有很远距离。

总之,无机固体电解质发挥单一离子传导和高稳定性的优势,用于全固态锂离子电池中,具有热稳定性高、不易燃烧爆炸、环境友好、循环稳定性高、抗冲击能力强等优势,同时有望应用在锂硫电池、锂空气电池等新型锂离子电池上,是未来电解质发展的主要方向。

3.2 界面性能的调控与优化

固体电解质存在与电极间界面阻抗大,界面相容性较差,同时充放电过程中各材料的体积膨胀和收缩,导致界面容易分离等问题。使用锂金属负极也存在固相接触阻抗大,界面反应,效率低等问题。目前解决的主要方向如下:

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