鉅大LARGE | 點擊量：3981次 | 2019年06月29日
介紹一下全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池
根據(jù)近期流傳的技術(shù)趨勢猜測，全固態(tài)鋰電池，可能在2030年之前實現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)打破，單體能量密度超越500Wh/kg的方針，并且抵達量產(chǎn)能力。今天重視一下全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池。
1鋰電池的品種
鋰電池的分類辦法比較多，可以依照正極材料類型區(qū)別，負極材料類型區(qū)別，電解液類型區(qū)別等等，咱們常說的三元材料仍是磷酸鐵鋰或許錳酸鋰，便是依照正極材料區(qū)別的結(jié)果。在鋰電池當(dāng)前展開階段上，鋰電池性能上的差異首要表現(xiàn)在正極材料的差異上，因此人們習(xí)慣于用正極材料的稱號給一個技術(shù)路途命名。
往后兩年，高鎳三元將成為量產(chǎn)可能性最高的一種技術(shù)路途，而含鎳量的不同，又成了技術(shù)路途的名字，622、811，這是鎳鈷錳在三元正極材料中的占比聯(lián)系。這仍然是一種針對正極材料差異的提法。
歐陽明高院士最近給出的技術(shù)路途猜測中，高鎳往后，能量密度抵達400Wh/kg的希望，很大程度上寄托在全固態(tài)電池的身上。固態(tài)電池，相對于傳統(tǒng)鋰電池的液態(tài)電解液而言的，電解質(zhì)為導(dǎo)電率很高的純固態(tài)物質(zhì)，這是一種針對電解液形態(tài)的命名辦法。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
與固態(tài)電池平行的別的兩種技術(shù)路途應(yīng)該可以叫做液態(tài)電解液鋰電池和半固態(tài)電解液鋰電池。液態(tài)電解液鋰電池，傳統(tǒng)稱號中三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰都屬于液態(tài)電解液鋰電池規(guī)模。半固態(tài)電解液，電解質(zhì)是介于固態(tài)和液態(tài)之間的狀況，現(xiàn)在常見的材料是聚合物電解質(zhì)，在常溫下為凝膠態(tài)。
2全固態(tài)鋰電池的優(yōu)缺陷
長處
1）安全性好，電解質(zhì)無腐蝕，不可燃，也不存在漏液問題；
2）高溫安穩(wěn)性好，可以在60℃-120℃之間工作；
3）有望獲得更高的能量密度。固態(tài)電解液，力學(xué)性能好，有用抑制鋰單質(zhì)直徑生長構(gòu)成的短路問題，使得可以選用理論容量更高的電極材料，比如鋰單質(zhì)做負極；固態(tài)電解質(zhì)的電壓窗口更寬，可以使用電位更高的材料做正極而不吝憂慮電解質(zhì)分化問題；
4）固態(tài)電解質(zhì)支撐電芯薄膜化規(guī)劃，最小可以抵達幾個納米，拓寬了鋰電池的使用規(guī)模，并且使得電池自帶柔性成為可能。
5）可以選用電阻較大、充放電進程體積改變比較大的材料做正負極，薄膜化的正負極材料，只需成膜性能好，即便材料電阻偏大，只需足夠薄往后，仍然不會給電池特性帶來顯著影響。
缺陷
1）溫度較低的時分，內(nèi)阻比較大；
2）材料導(dǎo)電率不高，功率密度前進困難；
3）制作大容量單體困難；
4）大規(guī)模制作中的正負極成膜技術(shù)還在會合火力研討中。
3全固態(tài)鋰電池組成
全固態(tài)鋰電池，首要由薄膜負極，薄膜正極和固態(tài)電解質(zhì)組成。薄膜物質(zhì)可以有多種挑選材質(zhì)。
3.1薄膜負極
薄膜負極材料首要分為鋰金屬及金屬化合物，氮化物和氧化物。
金屬鋰是最具代表性的薄膜負極材料。其理論比容量高達3600mAh/g，金屬鋰十分生動，其熔點只需180℃，十分簡單與水和氧發(fā)生反響，電池制作工藝中許多溫度較高的焊接辦法都不能直接使用在鋰金屬負極電芯的生產(chǎn)中。
鋰合金材料不但具有較高的理論比容量，還可以下降鋰的電化學(xué)活性。常見的鋰金屬化合物有LixSi、LixAl、LixPb等。但鋰化合物在充放電進程中，體積改變顯著，簡單構(gòu)成晶格結(jié)構(gòu)的崩塌。
氮化物負極材料可以分為鋰金屬氮化物，鋰過渡金屬氮化物和非金屬氮化物。鋰金屬氮化物可逆容量高，嵌鋰平臺低，首要品種有CrN、Cu3N、Ge3N4等。鋰過渡金屬氮化物有Li3-xCoxN、Li3FeN2等；非鋰金屬氮化物有SiN,VN等。氮化物做負極的首要特點是高的離子電導(dǎo)率和可逆容量。
氧化物負極材料可以分為金屬氧化物和金屬基復(fù)合氧化物。金屬氧化物負極有TiO2、Al2O3、In2O3、SiOx等；金屬基復(fù)合物氧化物有Li4Ti5O12、LixMoO2、LixWO2、LiNiVO4、SnAlxOy等；SiOx和SnAlxOy等容量盡管高，但衰減也比較顯著。LixMoO2循環(huán)性好，但容量比較低。具有尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12被稱為“零應(yīng)材料”，是安穩(wěn)性極好的一種負極材料。
3.2薄膜正極
大多數(shù)可以膜化的高電位材料均可用于固態(tài)化鋰電薄膜正極材料。薄膜正極材料首要分為金屬氧化物，金屬硫化物和釩氧化物。
適合做正極材料的金屬化合物，多數(shù)已經(jīng)在傳統(tǒng)鋰電池范疇得到了使用，比如LiMn2O4、LiCoO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiFePO4等。
金屬硫化物被用作鋰電池正極材料，包含TiS2、FeS2、SnS2和CuS2等。其間，TiS2薄膜材料的能量密度抵達了450Whkg-1，在嵌入和脫嵌鋰進程中具有挨近100%的庫倫功率。
釩氧化物做正極材料，首要是指V2O5，無定形V2O5材料循環(huán)安穩(wěn)性好，可逆容量高，是一種比較有研討潛力的材料。
3.3固體電解質(zhì)
固體電解質(zhì)，以固態(tài)方法在正負極之間傳遞電荷，要求固態(tài)電解質(zhì)有高的離子電導(dǎo)率和低的電子電導(dǎo)率。固態(tài)化電解質(zhì)大致可以分為無機固態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)和無機有機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。
無機固態(tài)電解質(zhì)是典型的全固態(tài)電解質(zhì)，不含液體成份，熱安穩(wěn)性好，從根本上處理了鋰電池的安全問題。加工性好，厚度可以抵達納米尺度，首要用于全固態(tài)薄膜電池。無機固態(tài)電解質(zhì)，從構(gòu)型不同的角度動身，又包含NASICON結(jié)構(gòu)，LISICON結(jié)構(gòu)和ABO3的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。鋰金屬化合物比鈉金屬化合物的電導(dǎo)率大，這是構(gòu)型中，鋰離子所在的空間位置抉擇的。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物首要是利用A位的空缺來添加鋰離子的活動空間來前進鋰離子電導(dǎo)率。
玻璃態(tài)的無機固態(tài)電解質(zhì)首要有氧化物(例如，P2O5、B2O3、SiO2、Li2O等)、硫化物(Li2S、SiS2等)、硫氧化物(LiS-SiS2中摻入少數(shù)的Li3PO4、LiAlO2、Li2SiO3等)和氮氧化物(LiPON、LiSiPON、LiSON)等。其間硫化物的熱安穩(wěn)性比較差，參加恰當(dāng)?shù)难趸铮梢郧斑M固態(tài)電解質(zhì)的安穩(wěn)性和離子導(dǎo)電率。
無機固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率較高，電子電導(dǎo)率較低，電化學(xué)安穩(wěn)窗口寬，結(jié)構(gòu)安穩(wěn)，易于成膜，工藝簡單，具有寬廣的使用遠景。
固態(tài)化聚合物電解質(zhì)，由鋰鹽和聚合物構(gòu)成，大致可以分為全固態(tài)類和凝膠類。全固態(tài)類是由鋰鹽和高分子基質(zhì)絡(luò)合而成的。鋰鹽例如：LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6等。高分子基質(zhì)比如：PEO、PAN、PVDF、PVDC和PMMA等。凝膠類是由鋰鹽與液體塑化劑，溶劑等與聚合物基質(zhì)構(gòu)成安穩(wěn)凝膠的電解質(zhì)材料。電化學(xué)安穩(wěn)性杰出，安全性較好，工藝簡單?，F(xiàn)在咱們常說的聚合物鋰電池，具有加高的能量密度和較好的安全性，其電解質(zhì)便是凝膠類聚合物作為電解質(zhì)的產(chǎn)品。
無機有機復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，是指在聚合物的固態(tài)電解質(zhì)傍邊參加無機填料所構(gòu)成的一類電解質(zhì)。一定量活性無機填料的參加可以添加鋰離子分散通道，離子電導(dǎo)率顯著前進。
全固體電解質(zhì)的研討首要會合在開發(fā)高電導(dǎo)率無機電解質(zhì)和有機-無機復(fù)合電解質(zhì)。硫化物固體電解質(zhì)具有較高的室溫離子電導(dǎo)率，可是其環(huán)境安穩(wěn)性差。氧化物固體電解質(zhì)化學(xué)安穩(wěn)性好，但室溫離子電導(dǎo)率較低。有機-無機復(fù)合電解質(zhì)兼具有機物杰出的柔性和無機物高的機械強度，可是因為聚合物基體的電導(dǎo)率低，且低溫環(huán)境下易結(jié)晶，因此復(fù)合電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率偏低。
4全固態(tài)電池的界面問題
全固態(tài)鋰電池，一個重要的技術(shù)難點是電解質(zhì)與電極之間構(gòu)成高電阻界面問題。整個技術(shù)都還在展開進程中，對此問題暫時沒有一致的觀點，一般估測的全固態(tài)電池正負極與電解質(zhì)之間的界面構(gòu)成原因：
1）因為外加電壓高于電解質(zhì)可以接受的電壓規(guī)模，使得電解質(zhì)發(fā)生氧化或許還原，進而在正極或許負極表面上構(gòu)成界面；
2）固體電解質(zhì)的性質(zhì)自身就與電極材料不相容，因此發(fā)生反響，生成物結(jié)成界面；
3）充放電進程中，離子的嵌入脫出進程的副產(chǎn)物，構(gòu)成電極與固態(tài)電解質(zhì)的界面。
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