近年來,隨著我國新能源汽車產業鏈的逐步完善,動力電池行業的企業也完成了早期的技術積累,走出了當代安培科技有限公司、比亞迪等壹批技術實力和資本規模兼備的龍頭企業。2019動力電池白名單取消後,正式參與了與LG化學、松下等國家頂尖企業的全球角力。
與鉛酸等其他類型電池相比,鋰離子電池具有重量輕、比能量高、壽命長等特點,逐漸成為新能源汽車領域的主要電池類型。資料顯示,自2008年鋰離子動力電池應用於新能源汽車以來,目前動力電池的實際能量密度比原來的100 Wh/kg足足提高了2.5倍以上。另壹方面,當前電池技術在不斷進步的同時,逐漸逼近傳統的正負極材料、隔膜和電解質動力電池體系理論的能量密度上限,難以得到提高,而固態電池技術則在這壹領域。
固態電池,即全固態鋰二次電池。在傳統的液態鋰離子動力電池體系中,正負極使用的材料很大程度上決定了電池自身的充電能力,即能量密度,電解液和隔膜作為鋰離子的傳輸介質存在於電池結構中。在固態電池的結構中,由於其固體電解質既能傳導鋰離子,又能起到隔膜的作用,所以在固態電池中,可以省略電解質、電解質鹽隔膜、粘結劑聚偏氟乙烯等材料。同時,由於其固體電解質壹般結構穩定,電解質不易泄漏,易於封裝,工作範圍廣,其安全性和可操作性也得到了顯著提高。
目前市場上主流的固態電池根據電解液的不同可以分為三種:聚合物、硫化物、氧化物。其中聚合物電解質屬於有機電解質,後兩者屬於無機電解質。
聚合物固態:目前聚合物的主流路線是POE及其衍生材料,具有良好的高溫性能,但相對而言,PEO基電解質雖然在60度以上的高溫下離子電導率有所提高,但此時由於聚合物處於熔融狀態,其力學性能有所下降。在溫室中,聚合物具有高的機械強度,但其導電性不高。因此,尋找聚合物導電性和機械強度之間的平衡點是業界迫切需要解決的問題之壹。此外,聚合物的電化學窗口壹般較窄,當電位差過大(>:4V)時電解質容易被電解,使得聚合物性能上限較低。其他類型的聚合物電解質,如PVCA,具有相對穩定的化學窗口(4.5V)和相對合適的離子電導率,但VC過於昂貴,無法大規模商業化。
硫化物固態:硫化物電解質固態電池的綜合性能是目前三種電池中最好的,質地柔軟,同時具有甚至比傳統液體電解質更高的離子電導率。但硫化物電解質易與水和空氣中的氧氣反應產生H2C等有毒氣體,無形中增加了其制造難度,大大提高了制造成本,從而在壹定程度上限制了其大規模商用。此外,硫化物電解質在陽極和陰極的界面接觸和接觸穩定性方面存在問題。盡管在工業中已經設計了雙電層電解質技術來在壹定程度上改善它,但是它仍然不能被完全消除。
氧化物固態:目前最有前途的氧化物電解質有石榴石型、LISICON型和NASICON型,其中石榴石型電解質的室溫離子電導率較高(10-3S/cm)。但石榴石電解液對鋰金屬潤濕性差,電池在連續充放電循環過程中沈積不均勻時,容易產生鋰枝晶,存在壹定的安全隱患。但研究表明,插入聚合物或凝膠電解質作為緩沖層,或者濺射能與鋰形成合金層的物質,可以有效解決這個問題。LISICON型材料具有高導電性,但是對H2O和CO2敏感,因此它們在空氣中不穩定,並且對鋰金屬的穩定性差。目前,通過摻雜鋯可以防止相分離,並大大提高其穩定性。而NASICON性能好,結構穩定,合成簡單,導電性強。但這種電解液的原料是鍺、鈦等貴金屬,導致其大規模應用困難。
整體來看,在目前主流的固態電池體系中,硫化物固態電池由於自身制造工藝和成本問題,對生產環境要求極高,容易產生H2C等有害氣體,存在嚴重的安全隱患。所以雖然它的性能最好,但是很難產業化。但聚合物存在充電率差、能量密度極低、只能在60度以上正常工作的問題,因此也很難用作動力電池。而氧化物固態電池的綜合性能和成本以及相對較低的技術難度,無疑更有可能成為未來固態電池的主要技術路線。