初步认识全固态锂电池.pdfVIP

学习笔记 |初步认识全固态锂电池 根据近期流传的技术趋势预测，全固态锂电池，可能在 2030 年之前实现固态电解质技 术突破，单体能量密度超过 500Wh/kg 的目标，并且达到量产能力。今天关注一下全 固态电解质锂电池。 1 锂电池的种类 锂电池的分类方法比较多，可以按照正极材料类型划分，负极材料类型划分，电解液 类型划分等等，我们常说的三元材料还是磷酸铁锂或者锰酸锂，就是按照正极材料划 分的结果。在锂电池当前发展阶段上，锂电池性能上的差异主要表现在正极材料的差 异上，因此人们习惯于用正极材料的名称给一个技术路线命名。 今后两年，高镍三元将成为量产可能性最高的一种技术路线，而含镍量的不同，又成 了技术路线的名字，622、811 ，这是镍钴锰在三元正极材料中的占比关系。这仍然是 一种针对正极材料差异的提法。 欧阳明高院士最近给出的技术路线预测中，高镍以后，能量密度达到400Wh/kg 的希 望，很大程度上寄托在全固态电池的身上。固态电池，相对于传统锂电池的液态电解 液而言的 ，电解质为导电率很高的纯固态物质，这是一种针对电解液形态的命名方式。 与固态电池平行的另外两种技术路线应该可以叫做液态电解液锂电池和半固态电解液 锂电池。液态电解液锂电池，传统称呼中三元、磷酸铁锂、锰酸锂都属于液态电解液 锂电池范围。半固态电解液，电解质是介于固态和液态之间的状态，现在常见的材料 是聚合物电解质 ，在常温下为凝胶态。 2 全固态锂电池的优缺点 优点 1 ）安全性好，电解质无腐蚀，不可燃，也不存在漏液问题； 2 ）高温稳定性好，可以在60℃-120℃之间工作； 3 ）有望获得更高的能量密度。固态电解液，力学性能好，有效抑制锂单质直径生长造 成的短路问题，使得可以选用理论容量更高的电极材料，比如锂单质做负极；固态电 解质的电压窗口更宽，可以使用电位更高的材料做正极而不惜担心电解质分解问题； 4 ）固态电解质支持电芯薄膜化设计，最小可以达到几个纳米，拓宽了锂电池的应用范 围，并且使得电池自带柔性成为可能。 5 ）可以选用电阻较大、充放电过程体积变化比较大的材料做正负极，薄膜化的正负极 材料，只要成膜性能好，即使材料电阻偏大，只要足够薄以后，依然不会给电池特性 带来明显影响。 缺点 1 ）温度较低的时候，内阻比较大 ； 2 ）材料导电率不高，功率密度提升困难； 3 ）制造大容量单体困难； 4 ）大规模制造中的正负极成膜技术还在集中火力研究中。 3 全固态锂电池组成 全固态锂电池，主要由薄膜负极，薄膜正极和固态电解质组成。薄膜物质可以有多种 选择材质。 3.1 薄膜负极 薄膜负极材料主要分为锂金属及金属化合物 ，氮化物和氧化物。 金属锂是最具代表性的薄膜负极材料。其理论比容量高达 3600mAh/g ，金属锂非常活 泼，其熔点只有 180 ℃，非常容易与水和氧发生反应，电池制造工艺中很多温度较高 的焊接方式都不能直接应用在锂金属负极电芯的生产中。 锂合金材料不但具有较高的理论比容量，还可以降低锂的电化学活性。常见的锂金属 化合物有 LixSi、LixAl、LixPb 等。但锂化合物在充放电过程中，体积变化明显，容易 造成晶格结构的崩塌。 氮化物负极材料可以分为锂金属氮化物，锂过渡金属氮化物和非金属氮化物。锂金属 氮化物可逆容量高，嵌锂平台低，主要种类有 CrN、Cu3N、Ge3N4 等。锂过渡金属氮 化物有 Li3-x CoxN、Li3FeN2 等；非锂金属氮化物有 Si N,VN 等。氮化物做负极的主要 特点是高的离子电导率和可逆容量。 氧化物负极材料可以分为金属氧化物和金属基复合氧化物。金属氧化物负极有 TiO2、 Al2O3、In2O3、SiOx 等 ；金属基复合物氧化物有Li4Ti5O12、LixMoO2、LixWO2、 LiNiVO4、Sn AlxOy 等；SiOx 和 SnAlxOy 等容量虽然高，但衰减也比较明显。 LixMoO2 循环性好，但容量比较低。具有尖晶石结构的 Li4Ti5O12 被称为“零应材 料” ，是稳定性极好的一种负极材料。 3.2 薄膜正极 大多数能够膜化的高电位材料均可用于固态化锂电薄膜正极材料。薄膜正极材料主要 分为金属氧化物，金属硫化物和钒氧化物。 适合做正极材料的金属化合物，多数已经在传统锂电池领域得到了应用，比如 Li Mn2O4、Li Co O2、Li Co1/3Ni1/3Mn1/3O2、Li Ni O2、Li Fe PO4 等。 金属硫化物被用作锂