【原】【星盈科技•动力电池】雷洪钧博士观点 | 聚合物固态锂电池是高比能量、高安全性的动力电池

摘要：聚合物固态锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子基本是相同的，电池的工作原理也基本一致。

2019年11月18-20日，由中共宁乡市委、宁乡市人民政府主办，宁乡高新技术产业园区管理委员会、宁乡市委统战部承办的第5届中国（宁乡）新能源企业家年度峰会暨固态电池技术论坛在长沙宁乡举行。笔者在现场聆听了中南大学、加拿大NRC国立学院教授张永柱作《电动汽车安全固态电池技术路线图》主题演讲，体会如下：

一、动力电池高比能量、高安全性的含义

动力电池高比能量的基本含义是单体电池比能量高于350wh/kg，高安全性的含义是电池不会发生自燃。目前三元锂电池（811）比能量已经实现304wh/kg，但是从机理上，依然有自燃的可能。基本理由是三元锂电池（811）的电解质是有机液体的。其中“有机”物耐热性一般在150度以下，而正负极短路后，往往会超过的这个限定值。聚合物固态锂电池的电解质不是有机液体的，所以说他是高安全的。

二、固态锂电池与传统锂电池的差异

聚合物固态锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子基本是相同的，电池的工作原理也基本一致。（如图1所示）

根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类。

固态锂电池与传统锂电池都是锂电池。其差异体现在电解质上，固态锂电池关键材料包括固态电解质，活性物质，以及导电剂等等。聚合物锂离子电池可分为三类：

(a)固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。

(b)凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使 用。

(c)聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的3倍。

液态含量是从25%逐步降到没有任何液态残留。主要的核心是电解质材料决定了固态锂电池的各项参数，功率密度、循环密度、循环使用效率。

三、固态锂电池关键材料，如图1所示

四、聚合物固态锂电池的比较优势，如表1所示。

表1  固态锂电池与传统锂离子电池比较

所以说，鉴于安全和能量密度上的优势，固态电池已成为未来锂电池发展的必经之路。其基本目标：

(a)2020 年高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现 300 Wh/Kg; 

(b)2025 年富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池 400 Wh/Kg; 

(c)2030 年燃料/锂硫/空气电池实现 500 Wh/Kg 

五、聚合物的分类、生产方法、指标、用途

聚合物又称加聚物，通俗理解是分子级别的化合物。是由一种单体经聚合反应而成的产物。分子量低的称低聚物，如三聚甲醛等（如图2所示。分子量高的，达几千甚至几百万的高聚物或高分子化合物。

1.聚合物分类

高聚物有天然产物和人工合成的两类。天然高聚物，如蛋白质(如图3所示）是氨基酸的聚合物、淀粉和纤维素是环状多羟基的聚合物(糖类)等，又称生物高聚物。

2.聚合物生产方法

根据使用要求不同，可采用不同的聚合方法。

a)有本体聚合(包括熔融聚合，是单体在引发剂或光、热、辐射作用下，一般不加其他介质进行的聚合)

b)溶液聚合(单体、引发剂溶于适当溶液中的聚合)

c)乳液聚合 (在搅拌和乳化剂作用下，使单体分散在水中呈乳状液进行聚合)

d)悬浮聚合(在搅拌和分散剂作用下，单体分散成单体液滴，悬浮于水进行聚合)等，

3.聚合物基本指标

聚合物基本指标主要有：强度、硬度、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性、耐溶剂性、透光性、气密性、电绝缘性等。聚合物的密度小，比同体积的钢铁小得多; 有的具有导电性、磁性，有的耐高温、耐低温、耐辐射; 有的有良好的气密性、透光性等。

4..聚合物的用途

聚合物广泛用于医疗、导电、耐热、建筑、包装材料、塑料等方面。

六、总结

人类利用能源发展的基本轨迹是，开始是固体能源、接下来是液体能源、再往下是气体能源。实践证明，能源最佳能源形式是电能，也就是说，固体能源（如煤）、液体能源（汽柴油）、气体能源（天然气）最好形式发电，供终端用户使用。而对汽车而已，要使用电能，必须发展高比能量、高安全性的动力电池。

一句话，聚合物固态锂电池发展是必然的。汽车必须电动化，一定能够做到纯电动化。

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