中國儲能網(wǎng)訊：安全始終是鋰電池頭頂?shù)囊话牙麆Α０ㄤ囯姰a(chǎn)業(yè)鏈上的各大企業(yè)、研究院校等業(yè)界各方都一直在不遺余力地解決這一“老大難”問題。其中，研究生產(chǎn)全固態(tài)鋰電池就是業(yè)界提出的一種新思路和新方法。
中國工程院院士陳立泉說：“2014年我就提出爭取5年實現(xiàn)(全固態(tài)鋰電池)產(chǎn)業(yè)化，全固態(tài)電池是我們實現(xiàn)領跑的難得機遇，我國40年前就開始研究，我們有基礎?！?
據(jù)了解到，目前全固態(tài)鋰電池還處于研發(fā)階段，國內(nèi)已經(jīng)有部分企業(yè)在進行技術攻關。全固態(tài)鋰電池研發(fā)進程到達什么階段?離產(chǎn)業(yè)化進程有多遠?本文將幫助讀者更清晰地認識全固態(tài)鋰電池以及其產(chǎn)業(yè)化進程。
技術原理
全固態(tài)鋰電池，即電池各單元，包括正負極、電解質(zhì)全部采用固態(tài)材料的鋰二次電池，是從20世紀50年代開始發(fā)展起來的，它的工作原理與液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的原理相通。
目前，按照電解質(zhì)區(qū)分，全固態(tài)鋰電池主要包括兩大類：一類是有機聚合物電解質(zhì)組成的全固態(tài)鋰電池，稱為聚合物全固態(tài)鋰電池;二是以無機固體電解質(zhì)組成的鋰離子電池，稱作無機全固態(tài)鋰電池，主要有氧化物類和硫化物類。
在構(gòu)造上，全固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰離子電池要簡單，固體電解質(zhì)除了傳導鋰離子，也充當隔膜的角色。因此，在全固態(tài)鋰電池中，電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜與黏接劑聚偏氟乙烯等都不需要使用，大大簡化電池的構(gòu)建步驟。
聚合物全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點是安全性高，不僅能夠制備成各種形狀，而且通過卷對卷的方式制備相對容易;無機全固態(tài)鋰電池使用的無機固體電解質(zhì)材料，具有機械強度高，不含易燃、易揮發(fā)成分，不存在漏液，抗溫度性能好等特點。
同時，無機材料容易實現(xiàn)大規(guī)模制備以滿足大尺寸電池的需要，還可以制備成薄膜，易于將鋰電池小型化，由無機材料組裝的薄膜無機固體電解質(zhì)鋰電池具有超長的儲存壽命和循環(huán)性能。
阻礙產(chǎn)業(yè)化難題在哪?
江蘇清陶能源科技有限公司(下稱“清陶能源”)首席技術官李崢博士表示，目前困擾全固態(tài)電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化主要有兩個問題：一是固態(tài)電解質(zhì)在室溫條件下的離子電導率不高;二是固態(tài)電解質(zhì)與正負極之間界面阻抗比較大。
目前使用的聚合物、氧化物、硫化物固態(tài)電解質(zhì)都存在這些問題。具體來說，聚合物耐溫性能不夠，界面問題稍微好一點，但電化學窗口較窄、穩(wěn)定性較差、離子電導性偏低;氧化物界面抗阻比較大，離子電導性也偏低;硫化物離子電導性高一點，但是界面離子傳輸性能不佳，且材料本身穩(wěn)定性也不好。
此前曾有媒體報道，法國Bollore 公司已經(jīng)在英國倫敦投放了3500輛城市租賃車。據(jù)了解這批租賃車均為使用全固態(tài)鋰電池的電動汽車，該款電池化學體系為Li/PEO/LFP，電池包重量達到300KG，能量密度在100wh/kg，并且1300次循環(huán)后，出水容量達到80%。
業(yè)內(nèi)技術專家認為，由于固態(tài)電解質(zhì)適用溫度范圍窄，Bollore 公司的該款電動車需要一個加熱元器件，將電池加熱到80攝氏度才能啟動，溫度升高后，導電性變好。
與平常直接發(fā)動引擎車子就能出發(fā)不同的是，升高電池溫度這一過程不僅麻煩，而且會消耗能量，這會導致電池包整體Pack的有效能量密度顯著下降。同時由于聚合物固態(tài)電池的功率性能較差，所以在實際使用時，需要和大功率的超級電容器配合使用。
更明顯的缺陷是基于PEO的聚合物固態(tài)電解質(zhì)電化學穩(wěn)定窗口較窄，一般在4V以下，對應的正極材料選擇只能是LFP，它的總體能量密度很難達到300Wh/kg。
企業(yè)積極布局
盡管全固態(tài)電池使用的固態(tài)電解質(zhì)還面臨諸多問題，但這并不影響業(yè)界產(chǎn)業(yè)化全固態(tài)電池的信心。而針對其中的難關，不少企業(yè)紛紛開啟技術研發(fā)模式。
硫化物固體電解質(zhì)是寧德時代的重要研發(fā)方向。對硫系全固態(tài)電池來說，正極界面和負極界面都存在界面反應的問題。對于正極界面，可以采用正極包覆修飾方法解決，而負極界面可以在鋰金屬表面形成一層穩(wěn)定的緩沖層。
實際應用中，硫化物還存在離子導電性的接觸問題，接觸空氣和水的穩(wěn)定性較差，遇水后不僅會放出劇毒的硫化氫氣體，而且氣味很臭，如果在使用車的過程中出現(xiàn)這個問題，人會承受不了。
寧德時代新能源科技有限公司梁成都博士表示，寧德時代采用熱壓方式改善界面接觸來提高電池體系的整體離子導電性，并且對硫化物材料進行了改進研究，提高了它的穩(wěn)定性，朝產(chǎn)業(yè)化更進一步。
但制造方面是一個很大的挑戰(zhàn)，生產(chǎn)流程、工藝方式和傳統(tǒng)鋰離子電池的生產(chǎn)方式完全不一樣，寧德時代已經(jīng)進行一系列的材料研究和工藝開發(fā)，在固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化方向進行了積極布局。
“條條大路通羅馬”，在研發(fā)全固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)選擇路徑上，每家企業(yè)都會有自己的選擇。李崢表示，清陶能源的技術路線是將聚合物和氧化物做成的復合材料，雖然能夠部分避免固體電解質(zhì)的共性問題，但仍需要改進，相對應的正負極也需要改變。
目前業(yè)界有一個共識，認為現(xiàn)在談全固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化還為時尚早，因為與其配套的材料、設備、工藝還不成熟，甚至連生產(chǎn)的設備都沒有。而據(jù)李崢透露，清陶能源成立之初的目的就是生產(chǎn)全固態(tài)鋰電池，配套的設備公司核名已經(jīng)完成，正在工商注冊中。
高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)分析師認為，全固態(tài)電池的能量密度理論值很高，但目前工程能力不夠，整包在100-200wh/kg，還有很大提升空間。要實現(xiàn)全固態(tài)電池的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，技術突破很關鍵，而且材料、工藝、設備都需要相應提升。
