钜大LARGE | 点击量：719次 | 2023年09月04日
有关全固态锂离子电池介绍以及电解质深度解析
我国通过政策的引导和扶持，已经成为全球最大的新能源汽车市场。基于政策倒逼和动力锂电池技术本身的进步，电动汽车用单体电池的能量密度将会于2020年达到300wh/kg。磷酸铁锂离子电池终将被三元锂离子电池替代，而具有高理论能量密度和高安全性的固态电池能否成为下一代的动力锂电池呢?
目前，我国新能源汽车厂商选用的电池体系重要有三元材料/石墨体系，磷酸铁锂/石墨体系和三元/钛酸锂体系电池三种。选用三元电池的代表车企有吉利、长安、北汽、上汽、江淮等公司，选用磷酸铁锂离子电池的代表车企是比亚迪，三元/钛酸锂离子电池的车企则是珠海银隆。
2017年三月份，国家工信部等四部委联合颁布《促进汽车动力锂电池发展行动方法》，指出到2020年，要求新型锂离子动力申池单体比能量超过300Wh/Kg；系统比能量力争达到260Wh/Kg。
根据三种电池的原材料本身性质进行判断，单体比能量超过300Wh/Kg对磷酸铁锂和钛酸锂离子电池来说是无法达到的，目前只有三元材料能够达到这样的要求。以上是三种锂离子电池材料体系的比较，三元电池虽以能量密度超越其他电池，但是其采用的是液态电解质，存在较大的安全隐患。业内关于固态电解质能够解决锂离子电池安全问题保持一致的看法。
固态电池并不是一个新颖的概念，早在2012年苹果公司就已经对固态电池开始了专利布局。固态电池是采用固态电极和固态电解质的电池。固态电池的正极材料与液态电解质电池没有太大差别，负极材料重要选用锂金属、锂合金或石墨烯等。这么多有利的因素，组合在一起就构成了固态锂离子电池。目前固态锂离子电池可以分为无机固态电解质电池和聚合物固态锂离子电池两种。固态锂离子电池的发展重要还是依赖于固体电解质的材料的发展。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
全固态锂离子电池介绍及电解质深度解析
一、固态电解质材料
关于固态电池来说，选用合适的固态电解质材料是电池设计的核心内容，一般对电解质的性能要求有以下：
(1)具有高的室温电导率;
(2)电子无法通过，锂离子能够通过；
(3)电化学窗口宽；
(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。
1.聚合物电解质
在有机聚合物基锂离子导体中，锂离子以锂盐的形式溶于聚合物基体。电导率是表征电解质优劣的关键参数，而传输速率重要受到与基体相互用途及链段活动能力的影响。提高链段的活动性有利于提高锂离子电导率。
目前，研究较多的聚合物固体电解质是PEO（聚环氧乙烷）及其衍生物络合锂盐类聚合物电解质。PEO类聚合物在较高的温度下也有很好的离子电导率，且加工性能好。但PEO类聚合物电解质也存在室温离子电导率低、与金属锂负极的相容性差等问题。
2.无机固态电解质
无机固态电解质材料中，早期开发的卤化物电解质电导率较低。这些早期开发的材料还存在化学性质不稳定、制备困难等问题。
全固态锂离子电池介绍及电解质深度解析
硫化物电解质和氧化物电解质都包含有玻璃、陶瓷及玻璃-陶瓷（微晶玻璃）3种不同结晶状态的材料。总的来说，由于S相关于O对Li的束缚用途较弱，有利于Li+的迁移，因此硫化物的电导率往往显著高于同种类型的氧化物。
氧化物电解质对空气和热稳定性高，原料成本低，更易实现规模化制备。在氧化物电解质中，非晶（玻璃）态氧化物电解质的室温电导率较低，且对空气中的水汽较敏感，制备往往要高温淬冷，难以应用于实际电池。
在氧化物中，锂离子在尺寸大得多的O2-构成的骨架结构间隙进行传导，减弱Li-O相互用途、实现锂离子的三维传输及优化传输通道中锂离子与空位浓度的比例均有利于提高锂离子的电导率。基于这些理念，一些具有复杂结构的氧化物锂离子导体材料相继出现，其中具有代表性的包括石榴石型结构体系、钙钛矿结构体系、钠快离子导体结构体系。然而，这些材料中，只有石榴石型结构体系的材料对金属锂稳定。另两种结构体系中电导率较高的材料均含有可被金属锂还原的Ti、Ge等元素。此外，石榴石型结构体系材料对空气有较好的稳定性，原料成本低，烧结体具有较高的机械强度，因此具备作为理想固态电解质广泛应用于全固态锂离子电池的潜力。
全固态锂离子电池介绍及电解质深度解析
二、待解决的问题
将固态电解质引入锂离子电池是为了突破目前有机电解液存在的种种限制，提高电池的能量密度、功率密度、工作温度范围和安全性。然而，真正实现这些目标，仍需首先解决现有电解质材料本身以及与电极界面存在的一些问题。
例如，提高能量密度要使用低电位、大容量的负极材料，以及高电位、大容量的正极材料，这样的情况下，存在高电压的情况，聚合物和硫化物有限的电化学窗口往往难以直接应用的问题。提高功率密度则要提高电解质电导率，这依旧是个很大的难题。
三、总结
全固态锂离子电池具有极高的安全性，其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液，同时也克服了锂枝晶现象，搭载全固态锂离子电池的汽车的自燃概率会大大降低。全固态锂离子电池当前能量密度约400Wh/Kg，预估最大潜力值达900Wh/Kg。但是固态电池在提升能量密度、功率密度等方面还存在一些待解决的问题，要从固态电解质、正负极材料上着手，一旦这些问题能够有效解决，必将在未来掀起一场新的电池革命。
固态电池
在固态离子学中，固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。固态电池一般功率密度较低，能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高，所以它是电动汽车很理想的电池。
2020年固态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离子电池技术。
2030年，锂离子电池将不再是电动汽车电池主流，但其在某些电子原件领域仍有一席之地。[1]
历程
从1991年索尼公司将含有液态电解质的锂离子电池带入电子设备的应用至今，液态锂离子电池已经成为目前最为成熟、使用最广泛的技术路线之一。
在2010年，丰田就曾推出过续航里程可超过1000KM的固态电池。而包括QuantumScape以及Sakti3所做的努力也都是在试图用固态电池来取代传统的液态锂离子电池。
加拿大Avestor公司也曾尝试过研发固态锂离子电池，最终2006年正式申请破产。Avestor公司使用一种高分子聚合物分离器，代替电池中的液体电解质，但一直没有解决安全问题，在北美地区发生过几起电池燃烧或者爆炸事件。
2015年三月中旬，真空吸尘器的发明者、英国戴森公司（Dyson）创始人詹姆斯戴森将其首笔1500万美元的投资投向了固态电池公司Sakti3，后者是一家成立于2007年的电池创业公司。
原理
传统的液态锂离子电池又被科学家们形象地称为摇椅式电池，摇椅的两端为电池的正负两极，中间为电解质（液态）。而锂离子就像优秀的运动员，在摇椅的两端来回奔跑，在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中，电池的充放电过程便完成了。
固态电池的原理与之相同，只不过其电解质为固态，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，进而提升电池容量。因此，同样的电量，固态电池体积将变得更小。不仅如此，固态电池中由于没有电解液，封存将会变得更加容易，在汽车等大型设备上使用时，也不要再额外新增冷却管、电子控件等，不仅节约了成本，还能有效减轻重量。
优势
据其官方称，Sakti3已制造出能量密度达1100瓦时/升的电池，这一能量密度几乎是目前锂离子电池的2倍。美国佛罗里达大学的电池专家、材料科学教授凯文琼斯（KevinJones）认为：假如电池蓄电量能像Sakti3提出的那样多，那么电动汽车的购买和使用成本就有可能与普通汽车相同。
而且固态电池还有另一项优势在事故中损坏时不易爆炸或起火。要了解的是，在此之前，在新能源汽车领域与特斯拉同样享有盛名的菲斯科，后来之所以会破产并慢慢销声匿迹，在很大程度上就是因为其频繁出现的电池起火事件以及其他故障。
争议
固态电池可能是未来电池技术的发展方向之一，但也许不是最好的。上述新能源生产公司的技术人员称，包括燃料动力电池、超级电容器、铝空气电池、镁电池在理念上都有较大的发展空间，而最终，要看哪种路线发展更快、更接地气。所谓接地气，就是在商业化的规模和成本方面都能达到完美的平衡点。首先，使用的材料必须不能是高成本且稀有的。其次，要在各个行业和领域都有实现大规模应用的可能。
或许，现在最具考验的地方在于价格。液态锂离子电池的成本大约在200~300美元/千瓦时，假如使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池，其成本会达到1.5万美元，而足以为汽车供电的固态电池成本更是达到令人咋舌的9000万美元。
Sastry表示，固态电池生产成本居高不下的一个重要原因在于生产效率低下。按照Sastry的规划，Sakti3最终将会把电池的成本降低至100美元/千瓦时，不过，她并没有给出最终的时间。
从理论的提出时间来看，固态电池并不是一个新的概念，但多年来，研发上的进展并没有想象那么快速。韩国三星的一位技术人员认为，即便Sakti3最终能做到成本上的降低，电池从实验室到最终的量产也要不短的时间。正如液态锂离子电池，在上世纪70年代，相关的理念和实验认证就在齐头并进地推进，但真正大规模的使用，已经是20世纪末了。
