初步認(rèn)識(shí)全固態(tài)鋰電池

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1、學(xué)習(xí)筆記

2、初步認(rèn)識(shí)全固態(tài)鋰電池20180109根據(jù)近期流傳的技術(shù)趨勢(shì)預(yù)測(cè)，全固態(tài)鋰電池，可能在2030年之前實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)突破，單體能量密度超過500Wh/kg的目標(biāo)，并且達(dá)到量產(chǎn)能力。今天關(guān)注一下全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池。1鋰電池的種類鋰電池的分類方法比較多，可以按照正極材料類型劃分，負(fù)極材料類型劃分，電解液類型劃分等等，我們常說的三元材料還是磷酸鐵鋰或者錳酸鋰，就是按照正極材料劃分的結(jié)果。在鋰電池當(dāng)前發(fā)展階段上，鋰電池性能上的差異主要表現(xiàn)在正極材料的差異上，因此人們習(xí)慣于用正極材料的名稱給一個(gè)技術(shù)路

3、線命名。今后兩年，高鎳三元將成為量產(chǎn)可能性最高的一種技術(shù)路線，而含鎳量的不同，又成了技術(shù)路線的名字，622、811，這是鎳鈷錳在三元正極材料中的占比關(guān)系。這仍然是一種針對(duì)正極材料差異的提法。歐陽明高院士最近給出的技術(shù)路線預(yù)測(cè)中，高鎳以后，能量密度達(dá)到400Wh/kg的希望，很大程度上寄托在全固態(tài)電池的身上。固態(tài)電池，相對(duì)于傳統(tǒng)鋰電池的液態(tài)電解液而言的，電解質(zhì)為導(dǎo)電率很高的純固態(tài)物質(zhì)，這是一種針對(duì)電解液形態(tài)的命名方式。與固態(tài)電池平行的另外兩種技術(shù)路線應(yīng)該可以叫做液態(tài)電解液鋰電池和半固態(tài)電解液鋰電池。液態(tài)

4、電解液鋰電池，傳統(tǒng)稱呼中三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰都屬于液態(tài)電解液鋰電池范圍。半固態(tài)電解液，電解質(zhì)是介于固態(tài)和液態(tài)之間的狀態(tài)，現(xiàn)在常見的材料是聚合物電解質(zhì)，在常溫下為凝膠態(tài)。2全固態(tài)鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1）安全性好，電解質(zhì)無腐蝕，不可燃，也不存在漏液問題；2）高溫穩(wěn)定性好，可以在60℃-120℃之間工作；3）有望獲得更高的能量密度。固態(tài)電解液，力學(xué)性能好，有效抑制鋰單質(zhì)直徑生長造成的短路問題，使得可以選用理論容量更高的電極材料，比如鋰單質(zhì)做負(fù)極；固態(tài)電解質(zhì)的電壓窗口更寬，可以使用電位更高的材料做正極而不惜擔(dān)

5、心電解質(zhì)分解問題；4）固態(tài)電解質(zhì)支持電芯薄膜化設(shè)計(jì)，最小可以達(dá)到幾個(gè)納米，拓寬了鋰電池的應(yīng)用范圍，并且使得電池自帶柔性成為可能。5）可以選用電阻較大、充放電過程體積變化比較大的材料做正負(fù)極，薄膜化的正負(fù)極材料，只要成膜性能好，即使材料電阻偏大，只要足夠薄以后，依然不會(huì)給電池特性帶來明顯影響。缺點(diǎn)1）溫度較低的時(shí)候，內(nèi)阻比較大；2）材料導(dǎo)電率不高，功率密度提升困難；3）制造大容量單體困難；4）大規(guī)模制造中的正負(fù)極成膜技術(shù)還在集中火力研究中。3全固態(tài)鋰電池組成全固態(tài)鋰電池，主要由薄膜負(fù)極，薄膜正極和固態(tài)電

6、解質(zhì)組成。薄膜物質(zhì)可以有多種選擇材質(zhì)。3.1薄膜負(fù)極薄膜負(fù)極材料主要分為鋰金屬及金屬化合物，氮化物和氧化物。金屬鋰是最具代表性的薄膜負(fù)極材料。其理論比容量高達(dá)3600mAh/g，金屬鋰非?；顫姡淙埸c(diǎn)只有180℃，非常容易與水和氧發(fā)生反應(yīng)，電池制造工藝中很多溫度較高的焊接方式都不能直接應(yīng)用在鋰金屬負(fù)極電芯的生產(chǎn)中。鋰合金材料不但具有較高的理論比容量，還可以降低鋰的電化學(xué)活性。常見的鋰金屬化合物有LixSi、LixAl、LixPb等。但鋰化合物在充放電過程中，體積變化明顯，容易造成晶格結(jié)構(gòu)的崩塌。氮化物

7、負(fù)極材料可以分為鋰金屬氮化物，鋰過渡金屬氮化物和非金屬氮化物。鋰金屬氮化物可逆容量高，嵌鋰平臺(tái)低，主要種類有CrN、Cu3N、Ge3N4等。鋰過渡金屬氮化物有Li3-xCoxN、Li3FeN2等；非鋰金屬氮化物有SiN,VN等。氮化物做負(fù)極的主要特點(diǎn)是高的離子電導(dǎo)率和可逆容量。氧化物負(fù)極材料可以分為金屬氧化物和金屬基復(fù)合氧化物。金屬氧化物負(fù)極有TiO2、Al2O3、In2O3、SiOx等；金屬基復(fù)合物氧化物有Li4Ti5O12、LixMoO2、LixWO2、LiNiVO4、SnAlxOy等；SiOx和

8、SnAlxOy等容量雖然高，但衰減也比較明顯。LixMoO2循環(huán)性好，但容量比較低。具有尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12被稱為“零應(yīng)材料”，是穩(wěn)定性極好的一種負(fù)極材料。3.2薄膜正極大多數(shù)能夠膜化的高電位材料均可用于固態(tài)化鋰電薄膜正極材料。薄膜正極材料主要分為金屬氧化物，金屬硫化物和釩氧化物。適合做正極材料的金屬化合物，多數(shù)已經(jīng)在傳統(tǒng)鋰電池領(lǐng)域得到了應(yīng)用，比如LiMn2O4、LiCoO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiFePO4等。金屬硫化物被用作鋰電池正極材料，包括TiS2

9、、FeS2、SnS2和CuS2等。其中，TiS2薄膜材料的能量密度達(dá)到了450Whkg-1，在嵌入和脫嵌鋰過程中擁有接近100%的庫倫效率。釩氧化物做正極材料，主要是指V2O5，無定形V2O5材料循環(huán)穩(wěn)定性好，可逆容量高，是一種比較有研究潛力的材料。3.3固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)，以固態(tài)形式在正負(fù)極之間傳遞電荷，要求固態(tài)電解質(zhì)有高的離子電導(dǎo)率和低的電子電導(dǎo)率。固態(tài)化電解質(zhì)大致可以分為無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)和無機(jī)有機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)是典