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作者：南山 从上个世纪90年代，索尼发布了第一款商用的锂离子电池，锂离子电池体系并没有明显的变革，发展至今，其能量密度和功率密度都已经接近工业的极限，但是仍难以满足未来的储能需求，单从新型电极材料的角度进行升级，也难以持续进行下去。若想突破目前锂离子电池的储能极限，势必要对其结构进行彻底变革，潜在解决方案包括开发锂硫电池、锂空气电池等，然后这些体系电池目前都处于研究状态，距离商业化还有较大的距离。与其他体系电池相比，固态锂离子电池是最有可能在新型电池体系竞争中取得胜利，那么究竟什么是固态锂离子电池？ 所谓的固态锂离子电池就是不管电极和电解液都是固态形式的。目前市面上普遍使用的锂离子电池都是采用液态或者聚合物电解质材料的。 其实，开发固态电池也是目前科学界和产业界不得已而为之的方案。目前，液态电解质体系的锂离子电池容量已经达到了工业极限了，很难再通过工艺和材料的改进而大规模提升电池容量。 图传统锂离子电池与固态电池的对比图 液态电解液相比较于固态电解质具有离子传导率高的特点，但是液态电解液易于泄露和具有的安全性隐患，不得不使得现有电池体系增加过多的保护层和防渗漏装置进行安全防护，这部分非活性材料占据了锂离子电池体系的大部分，极大的影响了锂离子电池的整体容量和安全性。 液体电池相比，固体电池的原理一样，但是其中电解质为固体材料，因而具有以下几个优势： 1、 能量密度高。采用了全固态电解质后，整体电极体系就可以针对性改进，比如可以使用容量密度更高的金属锂作为负极材料，能够显著减轻锂离子电池的电极用量，提高整理容量密度。 图固态电池主要面临的四个开发问题 2、体积更小。传统液态锂离子电池通过需要使用隔膜和外接保护装置来防止正负极的短路和泄露，而这部分体积占据了电池40%的体积和25%的质量，这样电极厚度可以缩减几倍，并且可以实现更好的柔性化。 3、 更加安全。显而易见，使用了固态电解质就可以极大避免了电池常见的短路和泄露造成的安全风险。 当然，固态电池目前也面临着一些开发的问题，其中最大的就是本身的电导率与液态电解质还具有非常大的差距。此外，固态电解质与电极材料之间的界面稳定性也是需要解决的问题之一。 可以说，与传统的锂离子电池相比较，固态电池的最核心就是固态电解质材料。 固态电解质主要分类为两种，无机电解质和聚合物电解质材料。评价固态电解质的一些参数主要包括：高的离子导电性、低的离子面积比电阻、高的电子面积比电阻、高的离子选择性、宽的电化学稳定窗口、好的化学兼容性、优异的热稳定性、优异的机械性能、简单的制备过程、价格低廉、易整合和环境友好。 固态电池中主要的无机固态电解质已经报道的类型有钙钛矿型，NASICON型，石榴石型，硫化物型。典型的钙钛矿固态电解质是Li3xLa2/3 − xTiO3，具有优异的锂离子导电性，在室温下达到10-3S/cm。 而目前，聚合物形式的电解质的发展主要分为三个类别：干燥的固态聚合物电解质，凝胶聚合物电解质和复合聚合物电解质。然而，凝胶聚合物属于半固态电解质形态，因此不在这里讨论。在干燥的固体聚合物电解质中，聚合物主体与锂盐作为固体溶剂(无溶剂)，但是干燥的固态聚合物离子导电性很差。复合聚合物电解质是由陶瓷填料集成到有机聚合物主体上, 通过降低玻璃化转变温度来帮助提高导电率。复合聚合物电解质的聚合物主题通常是PEO、PAN、PMMA、PVC或者PVDF，其中，PEO的应用最为广泛。 不同结构的无机固态电解质的室温电导率对比图 参考资料： Bachman, John Christopher,Sokseiha Muy, Alexis Grimaud, Hao-Hsun Chang, Nir Pour, Simon F. Lux, OdysseasPaschos, et al. “Inorganic Solid-State Electrolytes for Lithium Batteries: Mechanismsand Properties Governing Ion Conduction.” Chemical Reviews 116, no. 1 (January13, 2016): 140–162. 转发此篇文章请标明出处 |
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