电池储能：什么电池比传统固态电池储能高出十倍
来源：宝鄂实业
2019-03-25 16:10
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德国尤利希研究中心专家日前开发出一种新型固态电池，充电率比现有文献记录的固态电池高出十倍。新电池组件由磷酸盐化合物制成，材料经过化学和机械性能的最佳匹配，实现了电池持续良好的可通性。
固态电池因对热不敏感，不含任何可能泄漏或着火的液体部件，因此被认为比传统锂离电池更安全、可靠和耐用。影响固态电池发展的关键因素之一是通过的电流低，这会导致电池充电时间较长。一般固态电池再次充满需要约10—12个小时，而这款新型电池不到1个小时就能充足电。
项目负责人坦普尔博士介绍说，在传统锂离电池中使用液体电解质，能非常好地接触电极，具有纹理表面的电极像海绵一样吸收液体，形成一个大的接触区域;而两种固体材料不能这样相互结合，电极和电解质之间的接触电阻相应更高，影响电流的通过。
为了使电流在固体层边界处获得最大的流动性，研究团队设计的固态电池电极和电解质采用非常类似的材料组分，由不同的磷酸盐化合物制成。固体电解质作为稳定的载体材料，是在磷酸盐电极两侧通过丝网印刷工艺制成，使用的材料价格合理并容易加工。新型固态电池基本上不含有毒或有害物质。
坦普尔称，他们设计的固态电池主要是基于材料的最佳组合，这项设计证明固态电池实现高充电率和快速充电是完全可行的，并因此获得了专利。
参与项目的中国学者石城宇博士介绍说：“在最初的测试中，新电池的充放电循环相当稳定，经过500次充放电仍能保持原始容量的84%。当然，新电池还有改进空间，理论上做到低于1%的损耗也是可行的。”
尤利希能源和气候研究所所长艾歇尔教授表示：“新电池目前能量密度为每克约120毫安小时，已经非常高了，即使它们仍稍低于当今市场上的锂离子电池。”
该固态电池除了可用于开发电动汽车，还能应用到航空航天、智能住宅和医疗器械等众多领域。
固态锂电池的优势及目前存在的技术缺陷
相比于传统的锂离子电池，固态锂电池具有显著优点：
(1)高安全性能：传统锂离子电池采用有机液体电解液，在过度充电、内部短路等异常的情况下，电池容易发热，造成电解液气胀、自燃甚至爆炸，存在严重的安全隐患。而很多无机固态电解质材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，聚合物固体电解质相比于含有可燃溶剂的液态电解液，电池安全性也大幅提高。
(2)高能量密度：固态锂电池负极可采用金属锂，电池能量密度有望达到300～400Wh/kg甚至更高;其电化学稳定窗口可达5V以上，可匹配高电压电极材料，进一步提升质量能量密度;没有液态电解质和隔膜，减轻电池重量，压缩电池内部空间，提高体积能量密度;安全性提高，电池外壳及冷却系统模块得到简化，提高系统能量密度。
(3)循环寿命长：有望避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长SEI膜的问题和锂枝晶刺穿隔膜问题，大大提升金属锂电池的循环性和使用寿命。
(4)工作温度范围宽：固态锂电池针刺和高温稳定性极好，如全部采用无机固体电解质，最高操作温度有望达到300℃，从而避免正负极材料在高温下与电解液反应可能导致的热失控。
(5)生产效率提高：无需封装液体，支持串行叠加排列和双极机构，可减少电池组中无效空间，提高生产效率。
(6)具备柔性优势：全固态锂电池可以制备成薄膜电池和柔性电池，相对于柔性液态电解质锂电池，封装更为容易、安全，未来可应用于智能穿戴和可植入式医疗设备等。
尽管全固态锂电池在多方面表现出明显优势，但同时也有一些迫切需要解决的问题：
对于全固态电池的研发来说，解决上述问题的核心在于固态电解质材料发展以及界面性能的调控与优化。
固态电池因对热不敏感，不含任何可能泄漏或着火的液体部件，因此被认为比传统锂离电池更安全、可靠和耐用。影响固态电池发展的关键因素之一是通过的电流低，这会导致电池充电时间较长。一般固态电池再次充满需要约10—12个小时，而这款新型电池不到1个小时就能充足电。
项目负责人坦普尔博士介绍说，在传统锂离电池中使用液体电解质，能非常好地接触电极，具有纹理表面的电极像海绵一样吸收液体，形成一个大的接触区域;而两种固体材料不能这样相互结合，电极和电解质之间的接触电阻相应更高，影响电流的通过。
为了使电流在固体层边界处获得最大的流动性，研究团队设计的固态电池电极和电解质采用非常类似的材料组分，由不同的磷酸盐化合物制成。固体电解质作为稳定的载体材料，是在磷酸盐电极两侧通过丝网印刷工艺制成，使用的材料价格合理并容易加工。新型固态电池基本上不含有毒或有害物质。
坦普尔称，他们设计的固态电池主要是基于材料的最佳组合，这项设计证明固态电池实现高充电率和快速充电是完全可行的，并因此获得了专利。
参与项目的中国学者石城宇博士介绍说：“在最初的测试中，新电池的充放电循环相当稳定，经过500次充放电仍能保持原始容量的84%。当然，新电池还有改进空间，理论上做到低于1%的损耗也是可行的。”
尤利希能源和气候研究所所长艾歇尔教授表示：“新电池目前能量密度为每克约120毫安小时，已经非常高了，即使它们仍稍低于当今市场上的锂离子电池。”
该固态电池除了可用于开发电动汽车，还能应用到航空航天、智能住宅和医疗器械等众多领域。
固态锂电池的优势及目前存在的技术缺陷
相比于传统的锂离子电池，固态锂电池具有显著优点：
(1)高安全性能：传统锂离子电池采用有机液体电解液，在过度充电、内部短路等异常的情况下，电池容易发热，造成电解液气胀、自燃甚至爆炸，存在严重的安全隐患。而很多无机固态电解质材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，聚合物固体电解质相比于含有可燃溶剂的液态电解液，电池安全性也大幅提高。
(2)高能量密度：固态锂电池负极可采用金属锂，电池能量密度有望达到300～400Wh/kg甚至更高;其电化学稳定窗口可达5V以上，可匹配高电压电极材料，进一步提升质量能量密度;没有液态电解质和隔膜，减轻电池重量，压缩电池内部空间，提高体积能量密度;安全性提高，电池外壳及冷却系统模块得到简化，提高系统能量密度。
(3)循环寿命长：有望避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长SEI膜的问题和锂枝晶刺穿隔膜问题，大大提升金属锂电池的循环性和使用寿命。
(4)工作温度范围宽：固态锂电池针刺和高温稳定性极好，如全部采用无机固体电解质，最高操作温度有望达到300℃，从而避免正负极材料在高温下与电解液反应可能导致的热失控。
(5)生产效率提高：无需封装液体，支持串行叠加排列和双极机构，可减少电池组中无效空间，提高生产效率。
(6)具备柔性优势：全固态锂电池可以制备成薄膜电池和柔性电池，相对于柔性液态电解质锂电池，封装更为容易、安全，未来可应用于智能穿戴和可植入式医疗设备等。
尽管全固态锂电池在多方面表现出明显优势，但同时也有一些迫切需要解决的问题：
对于全固态电池的研发来说，解决上述问题的核心在于固态电解质材料发展以及界面性能的调控与优化。
