鉅大LARGE | 點擊量：762次 | 2023年09月04日
有關全固態鋰離子電池介紹以及電解質深度解析
我國通過政策的引導和扶持，已經成為全球最大的新能源汽車市場?；谡叩贡坪?a href="/keywords/dlldc/" class = "seo-anchor" data-anchorid=126 target="_blank">動力鋰電池技術本身的進步，電動汽車用單體電池的能量密度將會于2020年達到300wh/kg。磷酸鐵鋰離子電池終將被三元鋰離子電池替代，而具有高理論能量密度和高安全性的固態電池能否成為下一代的動力鋰電池呢?
目前，我國新能源汽車廠商選用的電池體系重要有三元材料/石墨體系，磷酸鐵鋰/石墨體系和三元/鈦酸鋰體系電池三種。選用三元電池的代表車企有吉利、長安、北汽、上汽、江淮等公司，選用磷酸鐵鋰離子電池的代表車企是比亞迪，三元/鈦酸鋰離子電池的車企則是珠海銀隆。
2017年三月份，國家工信部等四部委聯合頒布《促進汽車動力鋰電池發展行動方法》，指出到2020年，要求新型鋰離子動力申池單體比能量超過300Wh/Kg；系統比能量力爭達到260Wh/Kg。
根據三種電池的原材料本身性質進行判斷，單體比能量超過300Wh/Kg對磷酸鐵鋰和鈦酸鋰離子電池來說是無法達到的，目前只有三元材料能夠達到這樣的要求。以上是三種鋰離子電池材料體系的比較，三元電池雖以能量密度超越其他電池，但是其采用的是液態電解質，存在較大的安全隱患。業內關于固態電解質能夠解決鋰離子電池安全問題保持一致的看法。
固態電池并不是一個新穎的概念，早在2012年蘋果公司就已經對固態電池開始了專利布局。固態電池是采用固態電極和固態電解質的電池。固態電池的正極材料與液態電解質電池沒有太大差別，負極材料重要選用鋰金屬、鋰合金或石墨烯等。這么多有利的因素，組合在一起就構成了固態鋰離子電池。目前固態鋰離子電池可以分為無機固態電解質電池和聚合物固態鋰離子電池兩種。固態鋰離子電池的發展重要還是依賴于固體電解質的材料的發展。
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全固態鋰離子電池介紹及電解質深度解析
一、固態電解質材料
關于固態電池來說，選用合適的固態電解質材料是電池設計的核心內容，一般對電解質的性能要求有以下：
(1)具有高的室溫電導率;
(2)電子無法通過，鋰離子能夠通過；
(3)電化學窗口寬；
(4)與電極材料相容性好；
(5)熱穩定性好、耐潮濕環境、機械性能優良；
(6)原料易得，成本較低，合成方法簡單。
1.聚合物電解質
在有機聚合物基鋰離子導體中，鋰離子以鋰鹽的形式溶于聚合物基體。電導率是表征電解質優劣的關鍵參數，而傳輸速率重要受到與基體相互用途及鏈段活動能力的影響。提高鏈段的活動性有利于提高鋰離子電導率。
目前，研究較多的聚合物固體電解質是PEO（聚環氧乙烷）及其衍生物絡合鋰鹽類聚合物電解質。PEO類聚合物在較高的溫度下也有很好的離子電導率，且加工性能好。但PEO類聚合物電解質也存在室溫離子電導率低、與金屬鋰負極的相容性差等問題。
2.無機固態電解質
無機固態電解質材料中，早期開發的鹵化物電解質電導率較低。這些早期開發的材料還存在化學性質不穩定、制備困難等問題。
全固態鋰離子電池介紹及電解質深度解析
硫化物電解質和氧化物電解質都包含有玻璃、陶瓷及玻璃-陶瓷（微晶玻璃）3種不同結晶狀態的材料?？偟膩碚f，由于S相關于O對Li的束縛用途較弱，有利于Li+的遷移，因此硫化物的電導率往往顯著高于同種類型的氧化物。
氧化物電解質對空氣和熱穩定性高，原料成本低，更易實現規?；苽洹Ｔ谘趸镫娊赓|中，非晶（玻璃）態氧化物電解質的室溫電導率較低，且對空氣中的水汽較敏感，制備往往要高溫淬冷，難以應用于實際電池。
在氧化物中，鋰離子在尺寸大得多的O2-構成的骨架結構間隙進行傳導，減弱Li-O相互用途、實現鋰離子的三維傳輸及優化傳輸通道中鋰離子與空位濃度的比例均有利于提高鋰離子的電導率?；谶@些理念，一些具有復雜結構的氧化物鋰離子導體材料相繼出現，其中具有代表性的包括石榴石型結構體系、鈣鈦礦結構體系、鈉快離子導體結構體系。然而，這些材料中，只有石榴石型結構體系的材料對金屬鋰穩定。另兩種結構體系中電導率較高的材料均含有可被金屬鋰還原的Ti、Ge等元素。此外，石榴石型結構體系材料對空氣有較好的穩定性，原料成本低，燒結體具有較高的機械強度，因此具備作為理想固態電解質廣泛應用于全固態鋰離子電池的潛力。
全固態鋰離子電池介紹及電解質深度解析
二、待解決的問題
將固態電解質引入鋰離子電池是為了突破目前有機電解液存在的種種限制，提高電池的能量密度、功率密度、工作溫度范圍和安全性。然而，真正實現這些目標，仍需首先解決現有電解質材料本身以及與電極界面存在的一些問題。
例如，提高能量密度要使用低電位、大容量的負極材料，以及高電位、大容量的正極材料，這樣的情況下，存在高電壓的情況，聚合物和硫化物有限的電化學窗口往往難以直接應用的問題。提高功率密度則要提高電解質電導率，這依舊是個很大的難題。
三、總結
全固態鋰離子電池具有極高的安全性，其固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現象，搭載全固態鋰離子電池的汽車的自燃概率會大大降低。全固態鋰離子電池當前能量密度約400Wh/Kg，預估最大潛力值達900Wh/Kg。但是固態電池在提升能量密度、功率密度等方面還存在一些待解決的問題，要從固態電解質、正負極材料上著手，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。
固態電池
在固態離子學中，固態電池是一種使用固體電極和固體電解液的電池。固態電池一般功率密度較低，能量密度較高。由于固態電池的功率重量比較高，所以它是電動汽車很理想的電池。
2020年固態電池技術研發有望取得突破性進展，在成本、能量密度和生產過程等方面進一步趕超鋰離子電池技術。
2030年，鋰離子電池將不再是電動汽車電池主流，但其在某些電子原件領域仍有一席之地。[1]
歷程
從1991年索尼公司將含有液態電解質的鋰離子電池帶入電子設備的應用至今，液態鋰離子電池已經成為目前最為成熟、使用最廣泛的技術路線之一。
在2010年，豐田就曾推出過續航里程可超過1000KM的固態電池。而包括QuantumScape以及Sakti3所做的努力也都是在試圖用固態電池來取代傳統的液態鋰離子電池。
加拿大Avestor公司也曾嘗試過研發固態鋰離子電池，最終2006年正式申請破產。Avestor公司使用一種高分子聚合物分離器，代替電池中的液體電解質，但一直沒有解決安全問題，在北美地區發生過幾起電池燃燒或者爆炸事件。
2015年三月中旬，真空吸塵器的發明者、英國戴森公司（Dyson）創始人詹姆斯戴森將其首筆1500萬美元的投資投向了固態電池公司Sakti3，后者是一家成立于2007年的電池創業公司。
原理
傳統的液態鋰離子電池又被科學家們形象地稱為搖椅式電池，搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為電解質（液態）。而鋰離子就像優秀的運動員，在搖椅的兩端來回奔跑，在鋰離子從正極到負極再到正極的運動過程中，電池的充放電過程便完成了。
固態電池的原理與之相同，只不過其電解質為固態，具有的密度以及結構可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導更大的電流，進而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態電池體積將變得更小。不僅如此，固態電池中由于沒有電解液，封存將會變得更加容易，在汽車等大型設備上使用時，也不要再額外新增冷卻管、電子控件等，不僅節約了成本，還能有效減輕重量。
優勢
據其官方稱，Sakti3已制造出能量密度達1100瓦時/升的電池，這一能量密度幾乎是目前鋰離子電池的2倍。美國佛羅里達大學的電池專家、材料科學教授凱文瓊斯（KevinJones）認為：假如電池蓄電量能像Sakti3提出的那樣多，那么電動汽車的購買和使用成本就有可能與普通汽車相同。
而且固態電池還有另一項優勢在事故中損壞時不易爆炸或起火。要了解的是，在此之前，在新能源汽車領域與特斯拉同樣享有盛名的菲斯科，后來之所以會破產并慢慢銷聲匿跡，在很大程度上就是因為其頻繁出現的電池起火事件以及其他故障。
爭議
固態電池可能是未來電池技術的發展方向之一，但也許不是最好的。上述新能源生產公司的技術人員稱，包括燃料動力電池、超級電容器、鋁空氣電池、鎂電池在理念上都有較大的發展空間，而最終，要看哪種路線發展更快、更接地氣。所謂接地氣，就是在商業化的規模和成本方面都能達到完美的平衡點。首先，使用的材料必須不能是高成本且稀有的。其次，要在各個行業和領域都有實現大規模應用的可能。
或許，現在最具考驗的地方在于價格。液態鋰離子電池的成本大約在200~300美元/千瓦時，假如使用現有技術制造足以為智能手機供電的固態電池，其成本會達到1.5萬美元，而足以為汽車供電的固態電池成本更是達到令人咋舌的9000萬美元。
Sastry表示，固態電池生產成本居高不下的一個重要原因在于生產效率低下。按照Sastry的規劃，Sakti3最終將會把電池的成本降低至100美元/千瓦時，不過，她并沒有給出最終的時間。
從理論的提出時間來看，固態電池并不是一個新的概念，但多年來，研發上的進展并沒有想象那么快速。韓國三星的一位技術人員認為，即便Sakti3最終能做到成本上的降低，電池從實驗室到最終的量產也要不短的時間。正如液態鋰離子電池，在上世紀70年代，相關的理念和實驗認證就在齊頭并進地推進，但真正大規模的使用，已經是20世紀末了。
