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【深度】全固态电池发展现状和前景展望

2017-03-27 00:17
默菲
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优势之三:柔性化的前景。柔性电池对于消费电子产品具有非常重要的意义,但是对于动力电池来说,这并不是主要需要关注的问题。如果有读者对此方面的内容感兴趣,可以参考笔者的文章《柔性电化学储能器件研究进展》,储能科学与技术,2017,Vol. 6,Issue (1): 52-68。

优势之四:更安全,可靠性更优。消费电子产品电池用量很少,但是一个手机爆炸事件就让大家议论纷纷。而一台电动汽车的电池用量是一个手机的千倍以上,电池使用极量大。相比于消费品电池,动力电池服役环境更为复杂,又与人息息相关,因此其安全一直是重中之重,无论多重视也不为过。目前动力电池发展有几个矛盾,比如能量密度提升VS安全性能的保持就是特别典型的一对:三元材料在这方面就是前者有提升,后面让人有担忧的典型;而磷酸铁锂安全性不错,能量密度却已临近“天花板”,同样让人纠结。我国近年来的电动汽车方面的政策已经逐渐明朗化,要求提升动力电池能量密度,然而在电池高能量密度化,同时要求倍率性能提升背景下,对于电池安全性能的要求只会越来越苛刻。固态电池有望从根本上解决锂枝晶生成、电极材料与电解液存在复杂反应等一系列问题,这样可以明显提升电池服役寿命和使用过程中的可靠性,因此十分重要。

锂枝晶生成,产生内短路,是电池失效的重要原因

说完优点,再说缺点。

问题之一:快充不现实。笔者在这里想做一下修正——其实用“比较难”来描述固态电池快充更为贴切。相比于液态电解质(电导率大多位于10-2S/cm~10-3S/cm),固态电解质的性能则要分散的多,从消费电子产品用的最多的溅射工艺制备的LiPON薄膜(10-5~-6S/cm)到与液态电解质性能可以媲美的硫系材料都有,而目前成熟度最高的BOLLORE的PEO基电解质的固态动力电池(已经商用),其工作温度要求要在60~80℃,原因为何?很简单,电解质室温下离子导电性能不佳,只好提高温度使用。不仅如此,对于电池来说,加热需要的能量也只来自于自己的储能,因此这会影响续航里程(冬天不敢开空调取暖是现在电动汽车使用的一个非常实际的问题)。综合以上不难看出,固态电池有倍率性能很低的LiPON系列电池(实际上氧化物体系的电解质普遍倍率性能不佳),也可以基于硫系高性能电解质做出倍率性能还不错的固态锂硫电池,但是总体来说,作为动力电源使用,固态电池在倍率性能方面还是有很多挑战的。

典型电解质的电导率-温度变化曲线

问题之二:与快充紧密相关的下一个问题:界面。对于传统锂电池来说,电解液与电极材料之间的界面会发生复杂的电化学反应,而在此处是固-液界面,传质等过程总体来说比较顺畅。然而到了全固态电池,这个问题就变的比较麻烦了。全固态电池在此处的界面是固-固状态,这里就涉及到了几个核心的材料学问题:界面的润湿、结合、热膨胀匹配,而且这些不只是单纯的科学层面上的挑战——如果固态电池最后要用到汽车上,必须要解决从实验室到工程应用中的一系列问题。比如——

1)硫系电解质惧怕水气,如果电池出现意外沾了水怎么办?

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