研究全固态锂离子电池，它的发展现状和商业化前景如何？
来源：宝鄂实业
2019-04-06 18:11
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日前有海外媒体报道称，宝马正在研发一款更为先进的锂离子电池，这款电池将用固态电解质代替现有的电解液，更轻、更安全、密度更高。据悉，新电池的量产时间或为2026年。看到这则新闻之后第一个想到的就是BMW什么时候才能学会我朝的一贯作风啊？2026年还有9年时间呢，最差也要说(chui)是(niu)2020年量产让我等先兴奋几分钟吧？
先开个玩笑，下面言归正传。新闻里讲的更为先进的电池就是传说中的全固态锂离子电池。今天就跟大家简单聊聊全固态锂离子电池的现状和未来，一起看看全固态锂离子电池到底是个什么鬼。
宝马丰田们都在研究全固态锂离子电池，它的发展现状和商业化前景如何？
1. 与传统锂离子电池的基本区别
宝马丰田们都在研究全固态锂离子电池，它的发展现状和商业化前景如何？
图1 液态锂离子电池(左)，固态锂离子电池(右)
所谓全固态锂离子电池简单来说就是指电池结构中所有组建都是以固态形式存在，而如今传统的商业化的锂离子电池则是液态锂离子电池即电解液是液态溶液状。具体来说就是把传统锂离子电池的液态电解液和隔膜替换为固态电解质，一般是以锂金属为负极，也可是石墨类及其他复合材料，结构如图1所示。
1.1对比各自的优缺点如下：
液态电解质
优点：a.工业化自动化程度高; b.较好的界面接触; c.充放电循环电极膨胀相对可控; d.单位面积的导电率高
缺点：a.易挥发易燃烧的电解质导致其安全/热稳定性较差; b.依赖于形成SEI膜; c.锂离子和电子可能同时传导。
全固态电解质
优点：a.高安全/热稳定性(针刺和高温稳定性极好，可长期正常工作在60-120℃条件下); b.可达5V以上的电化学窗口，可匹配高电压材料; c.只传导锂离子不传导电子; d.由于固态电解质存在可以在电池内串联组成高电压的单体电池; e.简化冷却系统，提高能量密度; e.可使用在超薄柔性电池领域
缺点：a.充放电过程中界面应力受影响; b.单位面积离子电导率较低，常温下比功率差; c.成本极为昂贵(1mAh成本为25美金);d.工业化生产大容量电池有很大困难
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图2全固态电池的安全性能
2.全固态电池的关键技术
作为下一代要重点发展的先进电池技术，全固态电池无疑是学术界和产业届在积极开发推进的重点，其中选取合适的电解质材料和生产工艺是关键。
2.1 电解质材料
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、高低温性能以及使用寿命。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。对于电解质性能的评判, 一般有以下几个指标：
a. 离子电导率，一般是要求达到10-4 S/cm 以上。
b. 锂离子迁移数，迁移数是指通过电解质的电流中锂离子贡献的比例, 理想状态下, 迁移数为1，迁移数过低时阴离子会在电极表面富集,
导致电池极化加剧, 内阻增大。
c. 电化学窗口，一般要求高于4.3V，太低会在电池充放电过程中发生分解。
d. 高安全/热稳定性。
常见的固体电解质材料参数如下表所示：
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聚合物类固体电解质
一般是以PEO和锂盐LiTFSI等的混合物为电解质基材，制备电解质。由于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。
另外一点相对来说其电化学窗口狭窄，一般正极材料选用LFP等低电位材料。
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图3 聚合物固体电解质Li金属电池的循环性能可达600周
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图4 PEO抗氧化性较差
氧化物固体电解质
LiPON 是一种理想的锂离子电池电解质材料, 其制备的电池倍率性能及循环性能都比较优异, 可以在50C下工作, 循环45000次后, 容量保持率达95%以上。虽然此款电解质的导电率并不高(10-6 S/cm),但由于采用溅射技术制备, 电解质层很薄且与电极的界面接触较好, 电池的整体电阻较小。
但是LiPON 材料为电解质时, 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, 由于正负极薄膜的制备工艺使得电极中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, 因此只有正负极层都做到超薄, 电池的电阻才能降低。
