动力电池系列3——材料体系演进之固态锂电池
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昨天和大家分享了动力电池系列的第二部分：材料体系演进之掺硅补锂
今天和大家分享第三部分：材料体系演进之固态锂电池
目前商业化应用的锂离子液态电解液的问题在于容易燃烧，并存在漏液现象， 同时液态电解液容易与正负极发生副反应生成锂枝晶。锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解质，生成不可逆转的金属锂从而降低电池效率，并有可能穿破隔膜导致电池短路。
固态锂电池(Solid-State-Lithium-Battery)技术的出现可以很好地解决目前液态锂电池的痛点。
固态锂电池的优势在于:
1、安全性高，热稳定性强，自燃风险低。
2、可直接与金属锂匹配(最佳负极材料)，提升电池能量密度(>500 Wh/g)，解 决里程焦虑。
3、 固态电解质(Solid-state electrolyte)可有效抑制锂枝晶的生长，因为固态 电解质机械性能较强，锂枝晶难以穿破电解质。
4、 无漏液风险，可对电池模组进行更有效的设计排布。
因此，固态锂电池不仅可以满足未来政策对动力锂电池单体比能量的要求，还 具备了高安全性，长循环寿命等优点，成为下一代商业锂电池的主要研究方向。
全固态锂电池由正极，负极和固态电解质组成，正负极涂覆于集流体上，固态 电解质位于正负极之间。正极材料主要有 LiCoO2、 LiFePO4、LiMn2O4 等氧化物，负极则使用石墨、金属锂或锂合金等材料。
固态电解质的三大基础分类为聚合物、氧化物和硫化物，三种材料的性能各有利弊。
全固态锂电池结构示意图：
聚合物固体电解质(SPE)由聚合物基体和碱金属盐组成，聚合物基体包括聚环氧乙烷，聚硅氧烷、脂肪族聚碳酸酯等。
聚合物固体电解质的优点是柔韧性好，加工费用低，且能与正负极形成良好的接触面，其缺点是室温下离子电导率低，与金属锂匹配时容易析出锂枝晶，难满足商业需求。
氧化物固体电解质主要包括钠超离子导体(NASICON)型、钙钛矿型以及石榴石型。氧化物固态电解质的优点在于物理化学稳定性好、电导率较高，但由于硬度较大，加工性能差，并且电解质与正负极接触面积小，界面阻抗比较大。
硫化物电解质根据结构可分为非晶硫化物、结晶硫化物和玻璃陶瓷硫化物，其 中最典型的代表就是 Li2S-SiS2 基玻璃电解质。硫化物固态电解质具有较高的室温离子电导率(10-2 S cm-1)，延展性好，工艺流程简单且成本较低，但化学稳定性较差，在空气中易与水发生反应生成 H2S;与金属锂负极和传统正极材料在界面处发生副反应，降低电池效率。
三种固态电解质的性能参数比较：
固态电解质类型及优缺点汇总：
各家电池巨头加码布局固态锂电池，固态锂电产业化进程加速。
2016 年，宁德时代和比亚迪都宣布了对固态锂电池方向的研发路径，并分别计划于 2030 年 和 2025 年实现全固态锂电池的量产。
2018 年，韩国 SKI 宣布与 LG 化学、三 星 SDI 组成电池联盟，共同研发固态锂电池的核心技术，LG 化学计划于 2026 年实现量产，三星 SDI 则计划于 2027 年实现产业化。
2019 年，日本松下与丰田合作研发固态电池，同年 8 月，公司与比利时微电子中心签订合作协议，共同研究固态电池。
全球锂电池巨头企业在固态电池领域布局情况：
动力电池系列的第三部分的内容就分享到这里，明天和大家分享第四部分的内容：材料体系演进之富锂锰基
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