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攻克“全固态锂动力电池”技术难点,将彻底颠覆全球电池产业

目前,全固态电解质锂动力电池需攻关的技术难点有:

1)固态电解质材料的锂离子电导率偏低。现在有三种固态电解质:

①聚合物电解质动力电池要加热到60℃,离子电导率才上来,全固态电解质锂动力电池才能正常工作。聚合物固态电解质(SPE)由聚合物基体(如聚酯、聚酶和聚胺等)和锂盐(如LiClO4、LiPF6、LiBF4等)构成,锂离子以锂盐的形式溶于聚合物基体(固态溶剂),传输速率主要受到与基体相互作用及链段活动能力的影响。在高温条件下,聚合物离子电导率高,容易成膜,最先实现了小规模商业化生产。目前量产聚合物固态电池中聚合物电解质的材料体系是聚环氧乙烷(PEO),室温电导率一般在10-5 S/cm。

②目前,氧化物电解质的锂离子电导率比液态的要低很多,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,晶态电解质包括钙钛矿型、NASICON型(Na快离子导体)、石榴石型、LISICON型等,玻璃态(非晶态)氧化物的研究热点是用在薄膜电池中的LiPON 型电解质和部分晶化的非晶态材料。

③硫化物的固态电解质的锂离子电导率跟液态的差不多,丰田生产的动力电池就是用的这种硫化物的固态电解质。硫化物主要包括thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3等,室温离子电导率可以达到10-3~10-2 S/cm,接近甚至超过有机电解液,同时具有热稳定高、安全性能好、电化学稳定窗口宽(达5V以上)等特点,在高功率以及高低温固态电池方面优势突出。相对于氧化物,硫化物由于相对较软,更容易加工,通过热压法可以制备全固态锂电池,但还存在空气敏感,容易氧化,遇水容易产生硫化氢等有害气体的问题。

2)固/固界面接触性和稳定性差。液体跟固体结合是很容易的,渗透进去,但是固体和固体接触性和稳定性就不是太好,这是全固态电解质锂动力电池很大的一个问题。硫化物电解质虽然使锂离子导电率提高了,但是仍然有界面接触性和稳定性问题。电解质由液态换成固体之后,锂动力电池体系由电极材料-电解液的固液界面向电极材料-固态电解质的固固界面转化,固固之间无润湿性,界面接触电阻严重影响了离子的传输,造成全固态电解质锂动力电池内阻急剧增大、循环性能变差、倍率性能差。

3)金属锂的可充性问题。在固态电解质中,金属锂的反复充放电的循环性,甚至安全性等还需要研究。

4)制造成本偏高。全固态电解质锂动力电池制备工艺复杂,且固体电解质较贵,现阶段全固态电解质锂动力电池的成本较高。

全固态动力电池的研发产业化持续升温,但基于上述难点问题,特别是固态界面接触性/稳定性和金属锂的可充性问题,真正意义上的全固态电解质金属锂动力电池技术尚未成熟,还存在很大的技术不确定性。目前展现出或者有突破的有性能优势和产业化前景的,主要是固态聚合物锂动力电池和是固态锂动力电池。

总体看固态动力电池发展的路径是:电解质可能是从液态、半固态、固液混合到固态,最后到全固态。至于负极,会是从石墨负极,到硅碳负极,现在正在从石墨负极向硅碳负极转型,最后有可能到金属锂负极,但是目前还存在技术不确定性。

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