钜大LARGE | 点击量：507次 | 2021年12月13日
加州大学将溶液干燥获得新型固态电解质 可提高固态电池安全性能
随着全球电动车浪潮席卷，关于固态电池的新闻越来越多：从Fisker宣称开发充电1分钟行驶500公里的固态电池，到宝马已与SolidPower进行合作开发下一代电动车用固态电池，再到丰田又宣称将在2025年前实现全固态电池的实用化。作为下一代电池技术的代表，固态电池引发市场高度关注。
固态电池是采用固态电解质的锂离子电池。工作原理上，固态锂电池和传统的锂电池并无区别：传统的液态锂电池被称为“摇椅式电池”，摇椅的两端为电池的正负两极，中间为液态电解质，锂离子在电解液中迁移来完成正负极间的穿梭实现充放电，而固态电池的电解质为固态，相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。固态电解质是固态电池的核心。
固态电解质不可燃烧，极大提高电池安全性。与传统锂电池相比，全固态电池最突出的优点是安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性，避免了传统锂离子电池中的电解液泄露、电极短路等现象，降低了电池组对于温度的敏感性，根除安全隐患。同时，固态电解质的绝缘性使得其良好地将电池正极与负极阻隔，避免正负极接触产生短路的同时能充当隔膜的功能。
然而，要将固态电池推向市场，仍面临很大的问题，即如何制造出既坚固耐用又足够薄的电解质，来作为良好的离子导体。在理想情况下，这些电解质应该只有几十微米厚，类似于今天锂离子电池的隔板，但是大多数固体电解质采用的是陶瓷材料，如果做得太薄，很容易破碎。
据外媒报道，加州大学圣地亚哥分校材料科学家PingLiu，以及马里兰大学和加州初创公司LioxPower研究人员，开发了一种制造固态电池电解质的新技术。在制造过程中，通过对溶液进行干燥，形成离子导电复合材料，这种材料可同时作为电解质和正极涂层。
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%
该电解质溶液是一种含有β-硫代磷酸锂(β-Li3PS4)的硫化物基材料。研究团队通过多种方式来合成这种材料，包括使用不同的亲核试剂、溶剂和机械支持物，但最关键的起始成分总是硫化锂(Li2S)和硫化磷(P2S5)。所产生的β-Li3PS4溶液很清澈，在干燥时形成非常均匀的电解质层，可以直接沉积在硫化锂正极上。Liu说:“我们通过连续的过程来制造电池，而不需要分别制造单独的层体，所以，不必费力处理非常薄的材料。”
传统锂离子电池和固态电池制造技术，通常是将单层电解质堆叠组合在一起。这种能源密集型技术，需要用球磨机混合粉末与粘合剂，然后将其铸造成板材，再通过高温和高压平台，进行烧结或压制。Liu的方法解决了这些问题。另外，研究人员对β-Li3PS4溶液进行调整，以防止枝晶生长，从而打造更安全的电池。
锂枝晶的形成，是由于电场不均匀、表面化学或其他原因，导致锂离子在负极表面发生不均匀沉积，从而形成针状突起。如果任由枝晶形成，就会引起火灾。CSIRO的Best称：“负极上长出来的枝晶，与正极接触，会引起局部过热，温度可能高达1500到2000摄氏度。”研究团队开发的电解质，可与枝晶自发反应，形成惰性产物，有助于防止电池短路。Liu说：“这与伤口上长疤的过程非常相似。因此，我们称它为一种自我愈合和自我形成的机制。”
目前为止，研究人员已经为这种独特的电解质制造技术申请了五项专利。研究团队希望，在未来两至三年内，以每千瓦时低于100美元的成本，制造出容量为2Ah的固态电池工作原型，接近今天大多数智能手机电池的容量，进一步推进固态电池的商业化进程。
斯坦福大学研发不足10μm的固态电解质
斯坦福大学崔屹课题组设计了一种全新的不足10μm的超薄、柔性、聚合物复合固体电解质，可以确保全固态锂离子电池的安全性能。
图1.聚合物-聚合物SPE设计
要点1：设计理念
复合固态电解质必须由坚固、不易燃的主体制成，采用具有垂直排列的纳米通道和锂离子导电SPE填料。高模量主体防止枝晶渗透，而对齐的通道增强SPE填料的离子导电性。复合电解质的超薄和聚合物-聚合物性能使得全电池具有极大的柔韧性，低电解质电阻和潜在的高能量密度。研究团队采用高模量的纳米多孔聚酰亚胺（PI）主体和PEO/锂双（三氟甲磺酰基）酰亚胺（LiTFSI）聚合物电解质进行概念验证，这种PI/PEO/LiTFSI固体电解质中，超薄多孔PI基质厚度仅8.6μm。
要点2：优异性能
虽然商业锂离子电池的理论能量密度接近480Whkg-1，但是当在计算中考虑金属壳体，正负极集流器时，理论值减少一半。如果进一步考虑隔板和液体电解质时，能量密度理论值还要进一步降低。然而，当使用PI/PEO/LiTFSI电解质（246Whkg-1）时，全固态电池的能量密度与液体电解质电池的能量密度相当，并且远高于其他的电解质电池。
全固态电池中超薄超轻的PI/PEO/LiTFSI（1.12mgcm-2）具有与隔膜/液体电解质（1mgcm-2）相似的面积密度，确保其优于其他固体电解质系统。由于全固态LIB的电池外壳可能比液体电解质LIB更简单，所以固体聚合物-聚合物复合材料LIB的能量密度可能会更高。进一步，通过高容量锂化学，例如硫和金属锂，可以实现更高的能量密度。
由于PI膜不易燃，力学强度高，即使经过1000多小时的循环，也可持续防止电池短路，保证安全性。垂直通道可提高注入的离子电导率（30°C时为2.3×10-4Scm-1），基于PI/PEO/LiTFSI固体电解质制造的全固态锂离子电池在60°C时具有良好的循环性能（C/2速率下200次循环），并可承受弯曲，切割和钉子穿透等测试。
