关于固态电解质材料的技术路径

固态电解质材料技术路径

电解质材料的性能很大程度上决定了电池的功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能及使用寿命。常见的固态电解质可分为聚合物类电解质和无机物电解质两大类。

聚合物固态电解质

由于聚氧乙烯(PEO)相比于其它聚合物基体具有更强的解离锂盐的能力,且对锂稳定，因此目前研究热点以PEO及其衍生物为主。

聚合物电解质润湿电极能力差,活性材料脱嵌锂必须通过极片传输到电极表面进行,使得电池工作过程中极片内活性物质的容量不能完全发挥，将电解质材料混入电极材料中或者替代粘结剂,制备成复合电极材料,填补电极颗粒间的空隙,模拟电解液润湿过程,是提高极片中锂离子迁移能力及电池容量发挥的一个有效方法。PEO基电解质由于结晶度高，导致室温下导电率低，因此工作温度通常需要维持在60～85℃，电池系统需装配专门的热管理系统。此外，PEO的电化学窗口狭窄，难以与高能量密度正极匹配，因此需对其改性。

目前成熟度最高的BOLLORE的PEO基电解质固态电池已经商用，于英国少量投放城市租赁车，其工作温度要求60~80℃，正极采用LFP和LixV2O8，但目前Pack能量密度仅为100Wh/kg。

无机固体电解质

无机固态电解质主要包括氧化物和硫化物。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，其中研究热点是用在薄膜电池中的LiPON型电解质。

以LiPON为电解质材料制备的氧化物电池倍率性能及循环性能都比较优异，但正负极材料必须采用磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积等方法制成薄膜电极，同时不能像普通锂离子电池工艺一样加入导电材料,且电解质不能浸润电极,使得电极的锂离子及电子迁移能力较差，只有正负极层都做到超薄,电池电阻才能降低。因此,无机LiPON薄膜固态锂电池的单个电池容量不高，不适合用于制备Ah级动力电池领域。

硫化物固态电解质由氧化物固态电解质衍生而来，由于硫元素的电负性比氧元素小，对锂离子的束缚较小，有利于得到更多自由移动的锂离子。同时，硫元素半径大于氧元素，可形成较大的锂离子通道从而提升导电率。目前三星、松下、日立造船+本田、Sony都在进行硫化物无机固态电解质的研发。但空气敏感性、易氧化、高界面电阻、高成本带来的挑战并不容易在短期内彻底解决，因此距离硫化物电解质的全固态锂电池最终获得应用仍有很远距离。

总之，无机固体电解质发挥单一离子传导和高稳定性的优势，用于全固态锂离子电池中，具有热稳定性高、不易燃烧爆炸、环境友好、循环稳定性高、抗冲击能力强等优势，同时有望应用在锂硫电池、锂空气电池等新型锂离子电池上，是未来电解质发展的主要方向。