鋰電池能量密度的提升，意味著鋰電技術(shù)的革新嗎？

無論何時(shí)，隨著生活質(zhì)量的提升，工業(yè)農(nóng)業(yè)或高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)等也在逐步完成提升升級(jí)，電池行業(yè)也亦如此。

哥倫比亞大學(xué)資料科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授楊遠(yuǎn)開發(fā)了一種提升鋰離子電池能量密度的全新方法。他的三層結(jié)構(gòu)電極能在裸露的空氣環(huán)境中維持穩(wěn)定，因此使得電池電量愈加耐久、制作本錢進(jìn)一步下降。此項(xiàng)方法可以將鋰電池的能量密度提升10-30％。

1.多技術(shù)途徑并存，全球工業(yè)加速布局

電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰電池技術(shù)的中心。全固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項(xiàng)功能參數(shù)，如功率密度、循環(huán)安穩(wěn)性、安全功能、高低溫功能以及運(yùn)用壽命。

依據(jù)固態(tài)電解質(zhì)資料類別，可以分為聚合物全固態(tài)鋰電池和無機(jī)物全固態(tài)鋰電池，不同類型的電解質(zhì)其功能具有較大的差異，依據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃的不同，全固態(tài)鋰電池又可分為薄膜型和大容量型。

1)聚合物電池高溫作業(yè)功能好，最早完結(jié)商業(yè)化

聚合物電池高溫作業(yè)功能較好，現(xiàn)在最優(yōu)技術(shù)道路，最早完結(jié)小規(guī)劃工業(yè)化。聚合物全固態(tài)電池的電解質(zhì)首要是聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等，其間聚環(huán)氧乙烷(PEO)研討開發(fā)最早也最為老練。在高溫條件下，聚合物(如PEO)離子電導(dǎo)率高，能與正極復(fù)合構(gòu)成接連的離子導(dǎo)電通道，且對(duì)金屬鋰具有較高的安穩(wěn)性，聚合物簡單成膜，其柔性易于加工，既可以制成薄膜型，也能制成大容量型，運(yùn)用規(guī)劃廣，因此跟著材料功能前進(jìn)和制作工藝的改進(jìn)，使得聚合物全固態(tài)鋰電池成為最簡單也是最早完結(jié)了小規(guī)劃商業(yè)化出產(chǎn)。不過現(xiàn)在聚合物室溫電導(dǎo)率較低以及較低的電壓其大規(guī)劃工業(yè)化開展仍有約束。聚合物固態(tài)鋰電池的開發(fā)首要以Bolloré、CATL、Seeo、中科院青島生物動(dòng)力與進(jìn)程研討所為代表。

Bolloré出產(chǎn)出的全固態(tài)二次電池(LMP)，負(fù)極資料選用金屬鋰，電解質(zhì)選用聚合物(PEO等)薄膜，現(xiàn)在現(xiàn)已批量運(yùn)用在法國的EV同享效勞轎車“Autolib”和小型電動(dòng)巴士“Bluelus，整體運(yùn)用超越3000輛。

Seeo開發(fā)的全固體二次電池選用大創(chuàng)公司的干聚合物薄膜，供給的樣品電池組能量密度為130-150Wh/kg，2017年能量密度能到達(dá)300Wh/kg。

國內(nèi)CATL在聚合物方面也開展較快，現(xiàn)在現(xiàn)已規(guī)劃制作出了容量為325毫安時(shí)的聚合物電芯，體現(xiàn)出較好的高溫循環(huán)功能。

2017年4月中科院青島生物動(dòng)力與進(jìn)程研討所獲得重大進(jìn)展，該所開發(fā)的大容量固態(tài)聚合物鋰電池“青能I號(hào)”完結(jié)深?？瓶迹瑩?jù)悉，其能量密度超越250 Wh/kg，500次循環(huán)容量堅(jiān)持80%以上，在多次針刺和揉捏等嚴(yán)苛測驗(yàn)條件下堅(jiān)持非常好的安全功能。別的，“青能II號(hào)”也現(xiàn)已研制成功，能量密度高達(dá)300 Wh/kg。

2)硫化物功能參數(shù)極佳，開發(fā)潛力巨大

硫化物在作業(yè)功能參數(shù)上體現(xiàn)杰出，且易于加工。硫化物全固態(tài)電池的首要電解質(zhì)是thio-LISICON和 LiGPS、LiSnPS 、LiSiPS等。

首要，相關(guān)于聚合物和氧化物，硫化物的電導(dǎo)率較高，室溫電導(dǎo)率可以到達(dá)10-3~10-2 S/cm，挨近乃至超越有機(jī)電解液。其次，電化學(xué)窗口較寬(可完結(jié)5V以上)以及構(gòu)成膜今后具有比較好的界面安穩(wěn)性。最后硫化物與聚合物相似，硫化物柔性也較強(qiáng)，易于加工，較大的規(guī)劃彈性拓寬了硫化物全固態(tài)鋰電池的運(yùn)用規(guī)劃。硫化物仍面對(duì)界面問題和硫化物離子環(huán)境弱安穩(wěn)性的約束要素。歸納來看，硫化物有著巨大的開發(fā)潛力，CATL、豐田等國內(nèi)外企業(yè)紛繁加速布局。

3)氧化物循環(huán)功能杰出，適用于薄膜型結(jié)構(gòu)規(guī)劃

氧化物全固態(tài)鋰電池：氧化物循環(huán)功能杰出，技能壁壘較高，研討仍處于初期階段。氧化物全固態(tài)電池的電解質(zhì)首要是：LiPON、NASICON等，其間LiPON研討最為老練，以LiPON為電解質(zhì)資料時(shí), 正負(fù)極資料有必要選用磁控濺射、脈沖激光堆積、化學(xué)氣相堆積等辦法制成薄膜電極，然后制成薄膜型結(jié)構(gòu)的全固態(tài)鋰電池。

氧化物電池最為杰出的就是其優(yōu)異的電池倍率功能及循環(huán)功能，它可以在50C下作業(yè), 循環(huán)45000次后, 容量堅(jiān)持率達(dá)95%以上。一起，LiPON對(duì)金屬鋰安穩(wěn)，電化學(xué)窗口寬(相關(guān)于Li+/Li 為 0~5.5 V)，對(duì)電子絕緣。此外，氧化物電解質(zhì)對(duì)空氣和熱安穩(wěn)性高，質(zhì)料本錢低，在實(shí)踐工業(yè)化方面更易完結(jié)規(guī)劃化制備。不過，氧化物的低室溫電導(dǎo)率以及界面問題是氧化物全固態(tài)鋰電池開發(fā)運(yùn)用的首要妨礙，現(xiàn)在處于前期研討階段。

氧化物固態(tài)鋰電池的開發(fā)現(xiàn)在首要有美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室，Quantum Scape，Sakti3以及中科院?，F(xiàn)在現(xiàn)已小批量出產(chǎn)的固態(tài)電池首要是以無定形LiPON為電解質(zhì)的薄膜電池，該項(xiàng)技能界面問題比較難處理，Sakti3稱可以經(jīng)過單元疊加串聯(lián)的辦法，將MWh等級(jí)的薄膜電池組裝成kWh等級(jí)的EV用電池。其它企業(yè)沒有發(fā)現(xiàn)存在可工業(yè)化的產(chǎn)品。從現(xiàn)在來看，室溫離子電導(dǎo)率和界面問題加大了單純的氧化物基固態(tài)電池的開發(fā)難度，現(xiàn)在仍處于處于前期的研討階段。

歸納來看，全固態(tài)電池是未來的重要開展方向已是業(yè)界一致，全球工業(yè)巨子紛繁加速布局腳步，期望在全固態(tài)鋰電池范疇搶占先機(jī)。

2.能量與安全功能持續(xù)提升，固態(tài)鋰電池優(yōu)點(diǎn)突出

固態(tài)鋰電池有望成為下一代鋰電池開展的重要方向。各國為完結(jié)既定的高能量密度的方針，均在積極地進(jìn)行鋰硫電池、鋰空氣電池、或鋰金屬電池等電池的先導(dǎo)性研討。從當(dāng)時(shí)能量密度繼續(xù)前進(jìn)的態(tài)勢及研制的進(jìn)展來看，我國提出的2025年400Wh/kg的能量密度要求較高，正加速倒逼新式電池技術(shù)的研制及運(yùn)用。現(xiàn)在，一些企業(yè)研制出的全固態(tài)鋰電池能量密度可達(dá)300-400Wh/kg，其有望成為作為下一代高能量密度動(dòng)力和儲(chǔ)能電池技術(shù)的重要開展方向，全固態(tài)鋰電池的研制和運(yùn)用已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一致。

相較于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)鋰電池的差異在于電解質(zhì)固態(tài)化。全固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池相同，包含電池各單元(正極、負(fù)極、電解質(zhì))，其工作原理與傳統(tǒng)鋰電池的原理相同。
在電解質(zhì)方面，固態(tài)鋰電池選用聚合物、無機(jī)物等固態(tài)電解質(zhì)代替了傳統(tǒng)鋰電池中的液態(tài)電解質(zhì)(有機(jī)電解液)，當(dāng)時(shí)首要以thio-LISICON硫化物、氧化物、聚合物和硼氫化鋰基等作為固體電解質(zhì)，這是二者的中心差異，正是因?yàn)檫@種差異，電解質(zhì)鹽、隔閡與黏接劑等化學(xué)物質(zhì)都不再運(yùn)用，全固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)大為簡化?，F(xiàn)在電解質(zhì)的研討首要會(huì)集在高電導(dǎo)率的復(fù)合型電解質(zhì)等研制。
在正極方面，以往研討中全固態(tài)鋰電池首要運(yùn)用LiCoO2作為正極材料，此外也有LiFePO4、LiMn2O4、三元材料等傳統(tǒng)氧化物正極，還能兼容更高電壓的氧化物正極、高容量硫化物正極等。正極的研討方向會(huì)集在下降正極的界面阻抗，前進(jìn)高倍率放電功能，辦法如原位表面潤飾等。
在負(fù)極方面，全固態(tài)鋰電池除了石墨負(fù)極之外，一系列高功能負(fù)極材料也在不斷開發(fā)運(yùn)用，包含金屬Li(Li-In合金)、碳族(如碳基、硅基和錫基)、以及氧化物等負(fù)極材料。

固態(tài)鋰電池安全性及高能量密度的功能優(yōu)勢杰出。固態(tài)鋰電池在承繼傳統(tǒng)鋰電池的長處根底上，安全性、能量密度等方面有了大幅提高。
1)安全性極高：與傳統(tǒng)鋰電池比較，全固態(tài)電池最突出的長處是安全性。液態(tài)電解質(zhì)易燃易爆，以及在充放電進(jìn)程中鋰枝晶的生長簡單刺破隔閡，引起電池短路，構(gòu)成安全隱患。而固態(tài)電解質(zhì)不行燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，因此全固態(tài)電池具有極高安全性。

2)能量密度的提高：一是電壓渠道的提高，電池能量密度將增大。有機(jī)電解質(zhì)電化學(xué)窗口有限，難以兼容金屬鋰負(fù)極和新研制的高電勢正極材料，但是固態(tài)電解質(zhì)比有機(jī)電解液遍及具有更寬的電化學(xué)窗口，有利于進(jìn)一步提高電池的能量密度。二是固態(tài)電解質(zhì)能隔絕鋰枝晶生長，材料運(yùn)用系統(tǒng)規(guī)劃大幅提高，為具有更高能量密度空間的新式鋰電技能奠定根底?，F(xiàn)在全固態(tài)鋰電池研制可供給的能量密度基礎(chǔ)可達(dá)300-400Wh/kg。

3)循環(huán)功能增強(qiáng)：液態(tài)電解質(zhì)在充放電進(jìn)程中可與鋰離子產(chǎn)生不可逆反應(yīng)，構(gòu)成固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)和電解質(zhì)的丟失，下降了庫倫功率。而固態(tài)電解液處理了固體電解質(zhì)界面膜(SEI)的問題和鋰枝晶現(xiàn)象，大大前進(jìn)了鋰電池的循環(huán)性和運(yùn)用壽命。

4)適用規(guī)劃擴(kuò)展：固態(tài)電解質(zhì)賦予固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)劃可調(diào)、規(guī)劃彈性大等特點(diǎn)，固態(tài)電池既可以規(guī)劃成厚度僅幾微米的薄膜電池，用于驅(qū)動(dòng)微型電子器件，也可制成大容量電池，用于動(dòng)力和儲(chǔ)能范疇。此外，固態(tài)資料內(nèi)在的高低溫安穩(wěn)性，為全固態(tài)電池在更寬的溫度規(guī)劃(作業(yè)溫度規(guī)劃約為-25攝氏度到60攝氏度)內(nèi)作業(yè)供給了根本確保。

3.技術(shù)難題正被逐一攻破，轉(zhuǎn)型固態(tài)電池瓜熟蒂落

多項(xiàng)技術(shù)正逐漸推進(jìn)，同源系統(tǒng)本錢下降指日可待。全固態(tài)電池首要面對(duì)以下幾大技術(shù)難題：固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極之間界面阻抗過高、固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率偏低、材料本錢制備本錢貴重等，現(xiàn)在不斷有企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)提出相應(yīng)的處理方案。

一旦技術(shù)得到整合運(yùn)用，固態(tài)電池將能完結(jié)工業(yè)化，規(guī)劃化出產(chǎn)后也可以大幅度下降固態(tài)電池的出產(chǎn)本錢。據(jù)Sakti3創(chuàng)始人Ann Marie Sastry表明，現(xiàn)在固態(tài)電池出產(chǎn)功率較低，導(dǎo)致本錢較高，一旦規(guī)劃化出產(chǎn)，固態(tài)電池本錢有望下降至100美元/千瓦時(shí)，僅為液態(tài)鋰電池的一半左右(液態(tài)鋰電池的本錢大約在200~300美元/千瓦時(shí))。

固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)簡化助提出產(chǎn)功率，傳統(tǒng)鋰電企業(yè)轉(zhuǎn)型便利。固態(tài)電池工業(yè)化取決于詳細(xì)的資料技能與電池技能處理方案的打破，一旦要害材料、極片、正負(fù)極與電解質(zhì)匹配的技術(shù)打破，因?yàn)槠浔容^傳統(tǒng)鋰離子電池出產(chǎn)更易完結(jié)運(yùn)用全自動(dòng)化設(shè)備出產(chǎn)，可以較快速的完結(jié)工業(yè)化。

因?yàn)槿虘B(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)簡化、無需注入電解液，封裝功率高，大容量的鋰電池與固態(tài)氧化物染料相結(jié)合，使得電磁構(gòu)建的工藝優(yōu)化、高效聯(lián)接，且單體內(nèi)可以采取層疊串聯(lián)技能，可選用印刷等新式技能規(guī)劃化自動(dòng)化出產(chǎn)，然后前進(jìn)出產(chǎn)功率，下降規(guī)劃本錢。

與傳統(tǒng)鋰電池電芯制作配備比較，固態(tài)電池的制作配備雖存在不同，但也不存在革命性的立異，僅僅制作環(huán)境需求在更高要求的枯燥間進(jìn)行，這關(guān)于大多數(shù)傳統(tǒng)鋰電企業(yè)來說要添加的投入本錢不是很高，尤其是關(guān)于具有超級(jí)電容器、鋰離子電容器、預(yù)鋰化、鈦酸鋰、鎳鈷鋁等空氣靈敏儲(chǔ)能期間或資料的企業(yè)來說，制作環(huán)境根本一致。

革新總歸需要時(shí)間，期待更完善的電池技術(shù)的面世。