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固态电池还需要隔膜吗?固态电池的隔膜技术需要有什么进步?

来源:宝鄂实业    2019-04-24 22:40    点击量:

氧化物体系:分为薄膜型与非薄膜型,薄膜型适用于微型电子,非薄膜型综合性能优异

 

对比有机固态电解质,无机固态电解质包括氧化物体系与硫化物体系,无机材料的锂离子电导率在室温下要更高,但电极之间的界面电阻往往高于聚合物体系。其中氧化物体系开发进展更快,已有产品投入市场。

 

氧化物体系主要分为薄膜型与非薄膜型两大类。薄膜型主要采用LiPON这种非晶态氧化物作为电解质材料,电池往往薄膜化;而非薄膜型则指除LiPON以外的晶态氧化物电解质,包括LLZO、LATP、LLTO等,其中LLZO是当前的热门材料,综合性能优异。

 

薄膜型产品性能较好,但扩容困难。锂离子的流动与电流一样,遵循某种“欧姆定律”,如果传导距离缩短,则可以减小电阻值,通过使电解质层变薄可以在一定程度上弥补低离子传导率。除了LiPON等少数几种固体电解质,大多数材料难以制备成薄膜。已经小批量生产的以无定形LiPON为电解质的氧化物薄膜电池,在电解质层较薄时(≤2μm),面电阻可以控制在50~100Ωcm2。同时薄膜化的电池片电池倍率性能及循环性能优异,可以在50C下工作,循环45000次后,容量保持率达95%以上。但是薄膜化带来较好性能的同时也面对着扩充电池容量的困境。单体薄膜电池的容量很小,往往不到mAh级别,在微型电子、消费电子领域勉强够用,可对于Ah级别的电动车领域则需要串并联大量的薄膜电池来增加电池组容量,工艺困难且造价不菲。

 

从涂布到真空镀膜,薄膜型产品多采用真空镀膜法生产。由于涂布法无法控制粒子的粒径与膜厚,成膜的均匀性比较低,真空镀膜法能够较好保持电解质的均匀性。但是真空镀膜的生产效率低下,成本高昂,不利于大规模生产。为了改善材料与电极的界面阻抗,目前为止的应对措施是通过在1000℃以上的高温下烧结电极材料来增加界面的接触面积,对工艺要求较苛刻。薄膜型氧化物固态电池厂家Sakti3于2015年被英国家电巨头戴森收购,可受制于薄膜制备的成本与规模化生产难度大,迟迟没有量产产品。

 

非薄膜型氧化物产品综合性能出色,是当前开发热门。非薄膜型产品的电导率略低于薄膜型产品,但仍然远高出聚合物体系,且其可生产成容量型电池而非薄膜形态,从而大大减少了生产成本。非薄膜型氧化物固态电池的各项指标都比较平衡,不存在较大的生产难题,已成为中国企业重点开发的方向,台湾辉能与江苏清陶都是此赛道的知名玩家。

 

非薄膜型产品已尝试打开消费电子市场。台湾辉能科技公司量产的非薄膜型固态电池是在消费电子市场“吃螃蟹”的先行者。公司产品采用软性电路板为基材,厚度可以达到2mm,且电池可以随意折叠弯曲。2014年公司与手机厂商HTC合作生产了一款能给手机充电的手机保护皮套,采用了五片氧化物固态电池共提供了1150mAh容量的电源,通过接口直接为手机充电。同时,产品在可穿戴设备等领域也有应用。