全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展-任耀宇

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1、www.kjdb.org科技導(dǎo)報(bào)2017，35（8）全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展任耀宇馬里蘭大學(xué)能源研究中心，美國(guó)馬里蘭州大學(xué)公園市20740摘要電動(dòng)汽車、大規(guī)模儲(chǔ)能和微型器件等領(lǐng)域的發(fā)展要求不斷提高現(xiàn)有二次電池的能量密度、功率密度、工作溫度范圍和安全性。全固態(tài)鋰電池作為最具潛力的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，近年來受到廣泛關(guān)注。本文闡述了全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)，即固態(tài)電解質(zhì)的使用有助于提高鋰電池安全性、能量密度和功率密度，拓寬電池工作溫度范圍和應(yīng)用領(lǐng)域；指出了作為全固態(tài)電池關(guān)鍵材料的固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)滿足的要求，并在此基礎(chǔ)上分別討論了聚合物電解質(zhì)和無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)

2、（特別是硫化物和氧化物）的優(yōu)缺點(diǎn)；介紹了固態(tài)鋰電池的3種結(jié)構(gòu)類型，即薄膜型、3D薄膜型和體型，綜述了全固態(tài)鋰電池從薄膜型向體型發(fā)展的歷史進(jìn)程及現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上討論了全固態(tài)電池最終實(shí)現(xiàn)安全性、高能量密度和功率密度仍需解決的固態(tài)電解質(zhì)材料方面問題。關(guān)鍵詞全固態(tài)；鋰電池；固態(tài)電解質(zhì)；電化學(xué)儲(chǔ)能隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益突顯，人們對(duì)清潔、可再生能源的需求越來越迫切。實(shí)際應(yīng)用中，太陽能、風(fēng)能、水力等可再生能源需要被轉(zhuǎn)化為電能等二次能源才能廣泛被人們加以利用。為解決這類自然可再生能源與電力需求在時(shí)空分布上的不匹配問題，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展必不

3、可少。在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，即電池的使用受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。電池儲(chǔ)能具有高效、規(guī)?？烧{(diào)的特點(diǎn)，既可整合于電力系統(tǒng)作為能量?jī)?chǔ)存單元，起到對(duì)電網(wǎng)削峰填[1]谷的作用，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，也可用于移動(dòng)通訊、新能源汽車等領(lǐng)域，為人類生活質(zhì)量的提高提供源源[2]不斷的能量支持。二次電池的發(fā)展經(jīng)歷了從早期的鉛酸電池，到后來的鎳圖1主要電化學(xué)儲(chǔ)能電池比能量及用于電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程鎘、鎳氫電池，再到現(xiàn)在已商用化的二次鋰離子電池和用于比較[2]電網(wǎng)儲(chǔ)能的鈉-硫電池等。鋰電池以鋰元素作為能量輸運(yùn)Fig.1Comparisonoft

4、hespecificenergyanddistance和存儲(chǔ)介質(zhì)，鋰元素質(zhì)輕（金屬鋰摩爾質(zhì)量為6.94g/mol，是自perchargeamongmajorelectrochemicalenergy+然界存在的固態(tài)元素中最輕的）和氧化還原電位低（Li/Li相storagebatteries對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位為-3.04V，在所有標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電對(duì)中最低）的特點(diǎn)，使鋰離子電池可獲得比其他目前商業(yè)化的鋰電池以石墨作為負(fù)極，正極采用可嵌入/類型電池更高的輸出電壓和能量密度（圖1）[3]。因此，自1991脫出鋰離子的氧化物材料結(jié)

5、構(gòu)，如LiCoO2等，電解質(zhì)為溶有年索尼公司推出第一款商用二次鋰離子電池以來，鋰電池在鋰鹽的有機(jī)溶液，鋰元素在整個(gè)電池中以離子形式存在，故全球范圍內(nèi)迅速普及，成為許多便攜式電子產(chǎn)品首選的電源被稱為鋰離子電池（圖2（a））。鋰離子電池顯著削弱了以鋰類型。近年來，伴隨著電動(dòng)汽車的興起，以及可再生能源發(fā)為工作介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，可以認(rèn)為是一種過渡產(chǎn)品。為進(jìn)一步擴(kuò)電對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能裝置的迫切需求，鋰電池的研究再度升溫，大鋰電池的能量密度，研究一方面著力于探索抑制鋰枝晶生開發(fā)安全、大容量、大功率和長(zhǎng)壽命的二次鋰電池成為焦點(diǎn)。長(zhǎng)的方法，使鋰金屬作為負(fù)極成為

6、可能；另一方面則集中于收稿日期：2017-03-08；修回日期：2017-03-30作者簡(jiǎn)介：任耀宇，博士，研究方向?yàn)楣虘B(tài)鋰電池和燃料電池技術(shù)研發(fā)，電子信箱：yroneal@gmail.com引用格式：任耀宇.全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2017,35(8):26-36;doi:10.3981/j.issn.1000-7857.2017.08.00326科技導(dǎo)報(bào)2017，35（8）www.kjdb.org獲得更高容量或電極電勢(shì)的正極材料。例如，以單質(zhì)硫或者2）固態(tài)電池有望獲得更高的能量密度。能量密度是比氧氣作為正極，利用二

7、者超高的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)鋰能力（每克硫容量和電池電壓的乘積。固態(tài)電解質(zhì)比有機(jī)電解液普遍具1672mA·h；每克氧氣3862mA·h），可以顯著提升電池的容有更寬的電化學(xué)窗口，有利于進(jìn)一步拓寬電池的電壓范圍。量。這樣形成的鋰電池又分別稱為鋰-硫電池和鋰-氧氣（空在發(fā)展大容量電極方面，固態(tài)電解質(zhì)能阻止鋰枝晶的生長(zhǎng)，[3]氣）電池（圖2（b））。因而也就從根本上避免了電池的短路現(xiàn)象，使金屬鋰用作負(fù)極成為可能。對(duì)于鋰-硫電池，固態(tài)電解質(zhì)可阻止多硫化物的遷移。對(duì)于鋰-空氣電池，固態(tài)電解質(zhì)可以防止氧氣遷移至負(fù)極側(cè)消耗金屬鋰負(fù)極。3）固態(tài)電池有望獲得更

8、高的功率密度。固態(tài)電解質(zhì)以鋰離子作為單一載流子，不存在濃差極化，因而可工作在大電流條件，提高電池的功率密度。4）固態(tài)材料內(nèi)在的高低溫穩(wěn)定性，為全固態(tài)電池工作在更寬的溫度范圍提供了基本保證。5）固態(tài)電池還具有結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)?？烧{(diào)、設(shè)計(jì)彈性