行业资讯

新闻中心

浅析固态锂动力电池的优势及存在的技术难点

时间:2020-06-11 来源: 动力电池网

 
 
1.固态动力电池
 
从理论的提出时间来看,固态动力电池并不是一个全新的概念,但多年来,研发上的进展并没有想象的那么快速。而且固态动力电池不一定完全是固态电解质,还有一点液态,是液态跟固态混合的。固态锂动力电池的电解质是固态,但在电芯中有少量的液态电解质。半固态就是固态电解质、液态电解质各占一半,或者说电芯的一半是固态的、一半是液态的。准固态就是主要为固态,少量是液态。简单地说,固态动力电池是一种外观上貌似固态,但实质上采用固液混合电解质的动力电池。
 
固态电池
 
在固态离子学中,固态动力电池是一种使用固体电极和固体电解液的动力电池。由于固态动力电池的功率重量比较高,使用固态动力电池,电量可以提升超过30%,所以对电动汽车来说,固态动力电池是一种很理想的动力电池。另外,固态动力电池还有安全性更高的特点,由于固态动力电池属于非易燃品,在碰撞过程中不易起火和爆炸,对电动汽车而言,是一极佳的车载动力电池。
 
此外,它还有使用寿命更长的特点,尤其是它的循环使用寿命比目前常见的18650锂动力电池更长,通常可充电几十万次,可以有效延长纯电动汽车的使用寿命。而它使用的材料通常也很环保,使用后进行填埋处理即可。所以,一旦固态动力电池技术发展成熟,纯电动汽车将有实力和传统燃油汽车相抗衡。
 
固态动力电池一般功率密度较低,能量密度较高。由于固态动力电池的功率重量比较高,所以它是电动汽车很理想的动力电池。到2020年固态动力电池技术研发有望取得突破性进展,在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂动力电池技术。
 
 
2.固态锂动力电池
 
固态锂动力电池顾名思义就是不再使用液态的电解液,采用固态电解质,所有材料都以固态形式存在的锂动力电池。具体来说,它由正极材料+负极材料和电解质组成,而液态锂动力电池则由正极材料+负极材料+电解液和隔膜组成。通常液态锂动力电池能量密度极限在350Wh/kg,而全固态锂动力电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,不仅有望从根本解决动力电池安全性问题,而且量产能量密度能够达到500~600Wh/kg。
 
固态锂动力电池能力密度远超现在的主流的锂动力电池,这意味着纯电动汽车有更长续航里程、甚至达到节能型汽油车的续航里程,并且充电效率相比现阶段也有着质的飞跃,据悉装备固态动力电池的电动车,最理想化的充电速度可达到1分钟增加800公里,这可以说是新能源车的最佳核心部件。固态锂动力电池具有以下优势:
 
1)轻,能量密度高。使用了全固态电解质后,锂动力电池的适用材料体系也会发生改变,其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以明显减轻负极材料的用量,使得整个动力电池的能量密度有明显提高。
 
2)薄,体积小。在传统锂动力电池中,需要使用隔膜和电解液,它们加起来占据了锂动力电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代(主要有有机和无机陶瓷材料两个体系),正负极之间的距离(传统上由隔膜电解液填充,现在由固态电解质填充)可以缩短到甚至只有几到十几个微米,这样锂动力电池的厚度就能大大地降低,因此全固态动力电池技术是动力电池小型化,薄膜化的必经之路。
 
3)柔性化。固态锂动力电池使用脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米级以下后是可以弯曲的,材料会变得有柔性。相应的,全固态动力电池在轻、薄化后柔性程度也会有明显的提高,通过使用适当的封装材料(不能是刚性的外壳),制成的动力电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。
 
4)更安全。排除了传统锂动力电池在下列情况可能发生的危险:①在大电流下工作有可能出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致短路破坏。②电解液为有机液体,在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。
 

三星发布的固态电池
 
现阶段,国外的能源、科技企业,以及松下等动力电池制造商都开始了固态动力电池的研发,汽车厂商涉及这方面的有丰田、本田以及日产三大日系车企,这源于日本国家层面的助推。从已经开始研究固态动力电池的各方计划来看,预计2020年将在成本、能量密度和生产制造方面有突破性进展。到2030年才能将这项研发成果落地、在新能源汽车领域广泛普及,即离我们还有些远,这也是各大车企发布2025年全球禁售燃油车的应对战略时,并未提及固态动力电池的原因。
 
 
3.全固态电解质锂动力电池技术
 
“全固态”跟“固态”是不一样的,全固态锂动力电池”是一种在工作温度区间内所使用使用固体正负极和固体电解质,不含有任何液体,所有材料都由固态材料组成的锂动力电池,所以全称是:全固态电解质锂动力电池。全固态电解质锂动力电池的原理与液态锂动力电池相同,只不过其电解质为固态。全固态电解质锂动力电池具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升动力电池容量。
 
全固态电解质锂动力电池又分成全固态电解质锂一次动力电池和全固态电解质锂二次动力电池,全固态电解质锂一次动力电池已经有应用。全固态电解质锂二次动力电池又分成全固态电解质锂动力电池和全固态电解质锂金属动力电池。所谓全固态电解质锂金属动力电池,就是它的负极用的是锂金属,国内这类产品现在负极用的是碳、硅碳或者钛酸锂。
 

锂电池之父
 
全固态电解质锂动力电池的概念比锂动力电池出现的更早,早期指的全固态电解质锂动力电池,都是指以金属锂为负极的全固态电解质金属锂动力电池,一说全固态往往是以锂金属为负极的,这就是以前的概念。全固态电解质锂动力电池有几个潜在的技术优势:
 
1)安全性高。由于采用高热稳定性的固态电解质,代替了易燃的常规有机溶剂电解液,锂动力电池易燃烧问题得到解决。
 
2)能量密度高。固态电解质解决了电解液泄漏问题,体积比能量高。由于金属锂的超高容量,给予相同正极时,全固态电解质金属锂动力电池与常规液态锂动力电池相比,其能量密度可以得到大幅度提升。但由于固体电解质密度和使用量高于液态电解质,在正负极材料相同时,全固态电解质锂动力电池优势不明显。
 
3)正极材料选择的范围宽。由于全固态电解质锂动力电池可以直接采用金属锂为负极,不要求正极结构中含有锂,电解质的电压窗口会更宽,比能量也可以提高。一些高容量的贫锂态材料也可以作为正极。此外,无极固态电解质宽的电化学窗口(>5V)也为高电压正极材料的应用提供可能。
 
4)系统比能量高。由于电解质无流动性,可以方便地通过内串联组成高电压单体,利于动力电池系统成组效率和能量密度的提高。
 
电解质材料是全固态电解质锂动力电池技术的核心,电解质材料很大程度上决定了全固态电解质锂动力电池的各项性能参数,如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命,全固态电解质锂动力电池的电解质材料应满足以下要求:
 
①室温电导率 >10-4 S/cm。
 
②电子绝缘(Li+ 迁移数近似为 1)。
 
③电化学窗口宽(> 5.5V vs. Li/Li+)。
 
④与电极材料相容性好。
 
⑤热稳定性好、耐潮湿环境、机械性能优良。
 
⑥原料易得,成本较低,合成方法简单。
 
 
4.全固态电解质锂动力电池的技术难点
 
目前,全固态电解质锂动力电池存在的技术难点问题有: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。
 

奥迪欲使用固态电池的跑车
 
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。
 
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。

 

 

 

招聘信息 | 联系我们

Copyright © 2016 上海昭远实业有限公司 tokuen.com All Rights Reserved 腾讯企业邮箱 酷遨科技