固态锂电池现在的技术进度

根据近期撒播的技术趋势猜想，全固态锂电池，可能在2030年之前实现固态电解质技术突破，单体能量密度逾越500Wh/kg的方针，并且抵达量产能力。今日关注一下全固态电解质锂电池。

1锂电池的品种

锂电池的分类办法比较多，可以按照正极材料类型区分，负极材料类型区分，电解液类型区分等等，我们常说的三元材料仍是磷酸铁锂或许锰酸锂，便是按照正极材料区分的成果。在锂电池其时开展阶段上，锂电池性能上的差异首要表现在正极材料的差异上，因而人们习惯于用正极材料的名称给一个技术路途命名。

往后两年，高镍三元将成为量产可能性最高的一种技术路途，而含镍量的不同，又成了技术路途的名字，622、811，这是镍钴锰在三元正极材料中的占比关系。这依然是一种针对正极材料差异的提法。

欧阳明高院士最近给出的技术路途猜想中，高镍今后，能量密度抵达400Wh/kg的希望，很大程度上寄托在全固态电池的身上。固态电池，相对于传统锂电池的液态电解液而言的，电解质为导电率很高的纯固态物质，这是一种针对电解液形状的命名办法。

与固态电池平行的其他两种技术路途应该可以叫做液态电解液锂电池和半固态电解液锂电池。液态电解液锂电池，传统称号中三元、磷酸铁锂、锰酸锂都归于液态电解液锂电池规模。半固态电解液，电解质是介于固态和液态之间的状况，现在常见的材料是聚合物电解质，在常温下为凝胶态。

2全固态锂电池的优缺点

长处

1）安全性好，电解质无腐蚀，不可燃，也不存在漏液问题；

2）高温安稳性好，可以在60℃-120℃之间工作；

3）有望获得更高的能量密度。固态电解液，力学性能好，有用抑制锂单质直径生长构成的短路问题，使得可以选用理论容量更高的电极材料，比如锂单质做负极；固态电解质的电压窗口更宽，可以运用电位更高的材料做正极而不惜担心电解质分解问题；

4）固态电解质支持电芯薄膜化规划，最小可以抵达几个纳米，拓宽了锂电池的运用规模，并且使得电池自带柔性成为可能。

5）可以选用电阻较大、充放电进程体积改变比较大的材料做正负极，薄膜化的正负极材料，只需成膜性能好，即使材料电阻偏大，只需满意薄今后，依然不会给电池特性带来明显影响。

缺点

1）温度较低的时候，内阻比较大；

2）材料导电率不高，功率密度前进困难；

3）制作大容量单体困难；

4）大规模制作中的正负极成膜技术还在会合火力研讨中。

3全固态锂电池组成

全固态锂电池，首要由薄膜负极，薄膜正极和固态电解质组成。薄膜物质可以有多种选择原料。

3.1薄膜负极

薄膜负极材料首要分为锂金属及金属化合物，氮化物和氧化物。

金属锂是最具代表性的薄膜负极材料。其理论比容量高达3600mAh/g，金属锂十分生动，其熔点只要180℃，十分简单与水和氧发生反应，电池制作工艺中很多温度较高的焊接办法都不能直接运用在锂金属负极电芯的生产中。

锂合金材料不但具有较高的理论比容量，还可以下降锂的电化学活性。常见的锂金属化合物有LixSi、LixAl、LixPb等。但锂化合物在充放电进程中，体积改变显着，简单构成晶格结构的坍塌。

氮化物负极材料可以分为锂金属氮化物，锂过渡金属氮化物和非金属氮化物。锂金属氮化物可逆容量高，嵌锂平台低，首要品种有CrN、Cu3N、Ge3N4等。锂过渡金属氮化物有Li3-xCoxN、Li3FeN2等；非锂金属氮化物有SiN,VN等。氮化物做负极的首要特点是高的离子电导率和可逆容量。

氧化物负极材料可以分为金属氧化物和金属基复合氧化物。金属氧化物负极有TiO2、Al2O3、In2O3、SiOx等；金属基复合物氧化物有Li4Ti5O12、LixMoO2、LixWO2、LiNiVO4、SnAlxOy等；SiOx和SnAlxOy等容量虽然高，但衰减也比较显着。LixMoO2循环性好，但容量比较低。具有尖晶石结构的Li4Ti5O12被称为“零应材料”，是安稳性极好的一种负极材料。

3.2薄膜正极

大多数可以膜化的高电位材料均可用于固态化锂电薄膜正极材料。薄膜正极材料首要分为金属氧化物，金属硫化物和钒氧化物。

适合做正极材料的金属化合物，多数已经在传统锂电池范畴得到了运用，比如LiMn2O4、LiCoO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiFePO4等。

金属硫化物被用作锂电池正极材料，包括TiS2、FeS2、SnS2和CuS2等。其间，TiS2薄膜材料的能量密度抵达了450Whkg-1，在嵌入和脱嵌锂进程中具有挨近100%的库伦功率。

钒氧化物做正极材料，首要是指V2O5，无定形V2O5材料循环安稳性好，可逆容量高，是一种比较有研讨潜力的材料。

3.3固体电解质

固体电解质，以固态方法在正负极之间传递电荷，要求固态电解质有高的离子电导率和低的电子电导率。固态化电解质大致可以分为无机固态电解质、固态聚合物电解质和无机有机复合固态电解质。

无机固态电解质是典型的全固态电解质，不含液体成份，热安稳性好，从根本上处理了锂电池的安全问题。加工性好，厚度可以抵达纳米尺寸，首要用于全固态薄膜电池。无机固态电解质，从构型不同的角度动身，又包括NASICON结构，LISICON结构和ABO3的钙钛矿结构。锂金属化合物比钠金属化合物的电导率大，这是构型中，锂离子所在的空间位置决定的。钙钛矿结构的化合物首要是运用A位的空缺来添加锂离子的活动空间来前进锂离子电导率。

玻璃态的无机固态电解质首要有氧化物(例如，P2O5、B2O3、SiO2、Li2O等)、硫化物(Li2S、SiS2等)、硫氧化物(LiS-SiS2中掺入少数的Li3PO4、LiAlO2、Li2SiO3等)和氮氧化物(LiPON、LiSiPON、LiSON)等。其间硫化物的热安稳性比较差，参与恰当的氧化物，可以前进固态电解质的安稳性和离子导电率。

无机固态电解质离子电导率较高，电子电导率较低，电化学安稳窗口宽，结构安稳，易于成膜，工艺简略，具有广阔的运用前景。

固态化聚合物电解质，由锂盐和聚合物构成，大致可以分为全固态类和凝胶类。全固态类是由锂盐和高分子基质络合而成的。锂盐例如：LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6等。高分子基质比如：PEO、PAN、PVDF、PVDC和PMMA等。凝胶类是由锂盐与液体塑化剂，溶剂等与聚合物基质构成安稳凝胶的电解质材料。电化学安稳性出色，安全性较好，工艺简略。现在我们常说的聚合物锂电池，具有加高的能量密度和较好的安全性，其电解质便是凝胶类聚合物作为电解质的产品。

无机有机复合固态电解质，是指在聚合物的固态电解质傍边参与无机填料所构成的一类电解质。一定量活性无机填料的参与可以添加锂离子扩散通道，离子电导率显着前进。

全固体电解质的研讨首要会合在开发高电导率无机电解质和有机-无机复合电解质。硫化物固体电解质具有较高的室温离子电导率，可是其环境安稳性差。氧化物固体电解质化学安稳性好，但室温离子电导率较低。有机-无机复合电解质兼具有机物出色的柔性和无机物高的机械强度，可是由于聚合物基体的电导率低，且低温环境下易结晶，因而复合电解质的室温电导率偏低。

4全固态电池的界面问题

全固态锂电池，一个重要的技术难点是电解质与电极之间构成高电阻界面问题。整个技术都还在开展进程中，对此问题暂时没有统一的观念，一般估测的全固态电池正负极与电解质之间的界面构成原因：

1）由于外加电压高于电解质可以承受的电压规模，使得电解质发生氧化或许还原，进而在正极或许负极表面上构成界面；

2）固体电解质的性质本身就与电极材料不相容，因而发生反应，生成物结成界面；

3）充放电进程中，离子的嵌入脱出进程的副产物，构成电极与固态电解质的界面。