鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量:0次 | 2018年10月13日
全固態(tài)鋰電池的相關(guān)介紹
1.全固態(tài)鋰電池簡(jiǎn)介
全固態(tài)鋰電池是一種使用固體電極和固體電解液的電池鋰二次電池,從20世紀(jì)50年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的,它的工作原理與傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)鋰電池原理相通,鋰離子在電極的正、負(fù)極之間來(lái)回運(yùn)動(dòng),從而完成電池的充放電過(guò)程。只不過(guò)固態(tài)電池的電解質(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(jìn)而提升電池容量。
在構(gòu)造上,全固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰離子電池要簡(jiǎn)單,固體電解質(zhì)除了傳導(dǎo)鋰離子,也充當(dāng)隔膜的角色,電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜與黏接劑聚偏氟乙烯等都不需要使用,大大簡(jiǎn)化電池的構(gòu)建步驟,如圖1。因此,對(duì)于同樣的電量,固態(tài)電池體積將變得更小。
目前,按照電解質(zhì)區(qū)分,全固態(tài)鋰電池主要包括兩大類(lèi):一類(lèi)是有機(jī)聚合物電解質(zhì)組成的全固態(tài)鋰電池,稱(chēng)為聚合物全固態(tài)鋰電池;二是以無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)組成的鋰離子電池,稱(chēng)作無(wú)機(jī)全固態(tài)鋰電池,主要有氧化物類(lèi)和硫化物類(lèi)。
圖1傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池與全固態(tài)鋰離子電池示意圖
2.全固態(tài)鋰電池具有的優(yōu)勢(shì)
全固態(tài)鋰電池之所以會(huì)讓國(guó)際巨頭們看中是因?yàn)樗型鉀Q目前困擾動(dòng)力電池行業(yè)的兩大系統(tǒng)“挑戰(zhàn)”——安全隱患和能量密度偏低問(wèn)題。全固態(tài)鋰電池相比于液態(tài)鋰離子電池所具有的優(yōu)勢(shì)如下:
(1)安全性能高完全消除了電解液腐蝕和泄露的安全隱患,具有更高的熱穩(wěn)定性。
(2)能量密度高目前市場(chǎng)上應(yīng)用的鋰離子電池的電芯能量密度為260Wh/kg左右,正在開(kāi)發(fā)的鋰離子電池能量密度在300-320Wh/kg。而全固態(tài)鋰電池,如果負(fù)極采用鋰金屬,電池能量密度有望達(dá)到300-400Wh/kg,甚至更高。
(3)循環(huán)壽命長(zhǎng)固體電解質(zhì)有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過(guò)程中持續(xù)行程和生長(zhǎng)SEI膜和鋰枝晶穿刺隔膜問(wèn)題,有望大大提高金屬鋰電池的循環(huán)壽命。已報(bào)道的薄膜型全固態(tài)電池能夠循環(huán)45000次。
(4)電化學(xué)窗口寬全固態(tài)鋰電池的電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬,有可能達(dá)到5V,適應(yīng)于高電壓型電極材料,有利于進(jìn)一步提高能量密度。
(5)單體電壓高由于固體電解質(zhì)的固態(tài)特性,可以疊加多個(gè)電極,使單元內(nèi)串聯(lián)制備12V及24V的大電壓?jiǎn)误w電池成為可能。
3.全固態(tài)鋰電池目前存在的缺陷及解決方案
雖然全固態(tài)鋰電池在很多方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì),但同時(shí)也有一些迫切需要解決的問(wèn)題:固體電解質(zhì)材料離子電導(dǎo)率偏低;固體電解質(zhì)/電極間界面阻抗大,界面相容性差,同時(shí),充放電過(guò)程中各材料的體積膨脹和收縮導(dǎo)致界面容易分離;有待設(shè)計(jì)和構(gòu)建與固體電解質(zhì)相匹配的電極材料,現(xiàn)階段的電池制備成本高等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題,研究人員進(jìn)行了各種嘗試,部分可能得解決途徑如下表1。
表1全固態(tài)鋰電池目前存在的缺陷和比分解決方案
4.全固態(tài)鋰電池目前的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
為應(yīng)對(duì)新能源汽車(chē)越來(lái)越急迫的高性能要求,各國(guó)都已經(jīng)開(kāi)始布局高能量密度鋰電池,如日本政府提出,2020年動(dòng)力電池電芯能量密度將達(dá)到250Wh/kg,2030年達(dá)到500Wh/kg,美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)提出將2020年電芯能量密度有原來(lái)的220Wh/kg提高到350Wh/kg,中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》中也明確提到,2020年中國(guó)動(dòng)力電池單體比容量達(dá)到300Wh/kg,2025年達(dá)到400Wh/kg,2030年達(dá)到500Wh/kg。提高電芯能量密度,必然要求兼顧安全性能,因此發(fā)展全固態(tài)鋰電池技術(shù),具有重要的意義。