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        沈陽蓄電池研究所主辦

        業務范圍:科研成果轉讓、技術難題的攻關、現場指導、新工藝的采用和推廣,蓄電池產品生產許可證企業生產條件審查的咨詢等。

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        固態電池三大技術路線詳解

        作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 來源:SMM

        近年來,隨著我國新能源汽車產業鏈的逐漸完善,動力電池行業的企業也紛紛完成早期的技術積累,走出了一批以寧德時代,比亞迪等為代表的兼具技術實力與資金規模的龍頭企業,在2019年動力電池白名單取消之后正式參與到了與LG化學,松下等各國頂尖企業的全球角力之中。

        而鋰離子電池因其相對于鉛酸等其他類型電池而言具備重量輕,比能量高,壽命長等特點逐漸成為新能源汽車領域主要電池類型。據資料顯示,自2008年鋰離子動力電池開始應用于新能源汽車以來,目前的動力電池的實際能量密度相較于最初的100WH/KG已經足足提高了2.5倍有余,但另一方面,在當前電池技術不斷提升的同時,也在逐漸逼近傳統正負極材料,隔膜,電解液動力電池體系理論的能量密度上限,難以再有提升,而固態電池技術則為業界在該領域的探索提供了新的可能性。

        固態電池,即全固態鋰二次電池。在傳統的液態鋰離子動力電池中體系中,正負極所用的材料在很大程度上決定了電池的本身的帶電量,即能量密度,而電解液與隔膜是作為鋰離子的傳輸媒介存在于電池結構中。而在固態電池的結構中,因其固態電解質既可傳導鋰離子也可起到隔膜的作用,因此在固態電池中,電解液,電解質鹽 隔膜與黏接劑聚偏氟乙烯等材料都可以被省略。同時,因其固態電解質總體而言結構較為穩定,加上其電解質不易泄漏,易封裝及工作范圍寬等特性,所以安全性和操作性也得到了顯著提升。

        目前,市場上主流的固態電池按電解質的不同可分為三種類型:即聚合物,硫化物與氧化物。其中,聚合物電解質屬于有機電解質,而后兩種屬于無機電解質。

        聚合物固態:聚合物方面目前主流的路線是聚POE及其衍生材料,這種材料具有較好的高溫性能,但相對的,PEO基電解質雖然在60度以上的高溫下離子電導率有所提升,但此時因聚合物呈現融化狀態,其力學性能有所降低。而在溫室時,聚合物具有較高的機械強度,但其電導率卻不高。因此找到聚合物電導率與機械強度之間的平衡點是目前業內急需解決的問題之一。此外,聚合物普遍電化學窗口窄,電位差太大時(>4V)電解質易被電解,這使得聚合物的性能上限較低。而其他類型的聚合物電解質,如PVCA化學窗口較為穩定(4.5V),同時離子電導率也相對適宜,但VC過于高昂的價格,使得其也難以大規模商用。

        硫化物固態:硫化物電解質固態電池的綜合性能是目前三種電池中最為優秀的,其質地較為柔軟,同時具有甚至比傳統液態電解質更高的離子電導率,但硫化物電解質極易與空氣中的水,氧氣等發生反應產生H2C等有毒氣體,無形中提高了其制造的難度,大幅抬高制造成本,因此在一定程度上限制了其大規模商用。此外,硫化物電解質存在正負極之間的界面接觸,及接觸穩定性方面的問題,雖然業內設計出了雙電層電解質技術使其得到了一定程度的改善,但仍無法完全消除。

        氧化物固態:目前氧化物型電解質最具前景的為GARNET型,LISICON型,NASICON型三種,其中GARNET 型電解質具有較高的室溫離子電導率(10-3S/cm)。不過GARNET型電解質其金屬鋰浸潤性較差,當電池在不斷的充放電循環過程中沉積不均勻,易產生鋰枝晶,存在一定的安全隱患。不過研究表明,通過插入聚合物或者凝膠電解質作為緩沖層,或濺射能與鋰形成合金層的物質可以有效地解決這個問題。LISICON 型材料導電率高,但對 H2O 及 CO2敏感,因此在空氣中不穩定,對金屬鋰的穩定性也較差。目前可以通過摻雜鋯防止分相的出現,大幅提高其穩定性。而NASICON相對而言具有較好的性能,具備結構較為穩定,合成簡單,電導率強等有點,但該電解質原料于含鍺和鈦等貴金屬,使其大規模應用同樣存在一定的難度。

        綜合而言,在目前主流的固態電池體系中,硫化物固態電池由于其本身制作工藝及成本問題,生產環境要求極為苛刻,同時其易產生H2C等有害氣體,有嚴重的安全隱患,因此雖然性能最佳,但工業化難度較大,而聚合物方面則存在充電倍率較差,能量密度極低,同時只有在60度以上才能正常工作的問題,因此同樣難以作為動力電池使用。而氧化物固態電池較為綜合的性能與成本,相對較低的技術難度,就目前來看無疑更可能成為未來固態電池的主要技術路線。


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