中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：安全始終是鋰電池頭頂?shù)囊话牙麆?。包括鋰電產(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(wèn)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(guó)工程院院士陳立泉說(shuō)：“2014年我就提出爭(zhēng)取5年實(shí)現(xiàn)(全固態(tài)鋰電池)產(chǎn)業(yè)化，全固態(tài)電池是我們實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑的難得機(jī)遇，我國(guó)40年前就開(kāi)始研究，我們有基礎(chǔ)?！?
據(jù)了解到，目前全固態(tài)鋰電池還處于研發(fā)階段，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有部分企業(yè)在進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。全固態(tài)鋰電池研發(fā)進(jìn)程到達(dá)什么階段?離產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有多遠(yuǎn)?本文將幫助讀者更清晰地認(rèn)識(shí)全固態(tài)鋰電池以及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
技術(shù)原理
全固態(tài)鋰電池，即電池各單元，包括正負(fù)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(jì)50年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)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(lèi)：一類(lèi)是有機(jī)聚合物電解質(zhì)組成的全固態(tài)鋰電池，稱(chēng)為聚合物全固態(tài)鋰電池;二是以無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)組成的鋰離子電池，稱(chēng)作無(wú)機(jī)全固態(tài)鋰電池，主要有氧化物類(lèi)和硫化物類(lèi)。
在構(gòu)造上，全固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰離子電池要簡(jiǎn)單，固體電解質(zhì)除了傳導(dǎo)鋰離子，也充當(dāng)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(jiǎn)化電池的構(gòu)建步驟。
聚合物全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是安全性高，不僅能夠制備成各種形狀，而且通過(guò)卷對(duì)卷的方式制備相對(duì)容易;無(wú)機(jī)全固態(tài)鋰電池使用的無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)材料，具有機(jī)械強(qiáng)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(diǎn)。
同時(shí)，無(wú)機(jī)材料容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備以滿(mǎn)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(wú)機(jī)材料組裝的薄膜無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)鋰電池具有超長(zhǎng)的儲(chǔ)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(chēng)“清陶能源”)首席技術(shù)官李崢博士表示，目前困擾全固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化主要有兩個(gè)問(wèn)題：一是固態(tài)電解質(zhì)在室溫條件下的離子電導(dǎo)率不高;二是固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)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(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，聚合物耐溫性能不夠，界面問(wèn)題稍微好一點(diǎn)，但電化學(xué)窗口較窄、穩(wěn)定性較差、離子電導(dǎo)性偏低;氧化物界面抗阻比較大，離子電導(dǎo)性也偏低;硫化物離子電導(dǎo)性高一點(diǎn)，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(bào)道，法國(guó)Bollore 公司已經(jīng)在英國(guó)倫敦投放了3500輛城市租賃車(chē)。據(jù)了解這批租賃車(chē)均為使用全固態(tài)鋰電池的電動(dòng)汽車(chē)，該款電池化學(xué)體系為L(zhǎng)i/PEO/LFP，電池包重量達(dá)到300KG，能量密度在100wh/kg，并且1300次循環(huán)后，出水容量達(dá)到80%。
業(yè)內(nèi)技術(shù)專(zhuān)家認(rèn)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(dòng)車(chē)需要一個(gè)加熱元器件，將電池加熱到80攝氏度才能啟動(dòng)，溫度升高后，導(dǎo)電性變好。
與平常直接發(fā)動(dòng)引擎車(chē)子就能出發(fā)不同的是，升高電池溫度這一過(guò)程不僅麻煩，而且會(huì)消耗能量，這會(huì)導(dǎo)致電池包整體Pack的有效能量密度顯著下降。同時(shí)由于聚合物固態(tài)電池的功率性能較差，所以在實(shí)際使用時(shí)，需要和大功率的超級(jí)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(xué)穩(wěn)定窗口較窄，一般在4V以下，對(duì)應(yīng)的正極材料選擇只能是LFP，它的總體能量密度很難達(dá)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(wèn)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(duì)其中的難關(guān)，不少企業(yè)紛紛開(kāi)啟技術(shù)研發(fā)模式。
硫化物固體電解質(zhì)是寧德時(shí)代的重要研發(fā)方向。對(duì)硫系全固態(tài)電池來(lái)說(shuō)，正極界面和負(fù)極界面都存在界面反應(yīng)的問(wèn)題。對(duì)于正極界面，可以采用正極包覆修飾方法解決，而負(fù)極界面可以在鋰金屬表面形成一層穩(wěn)定的緩沖層。
實(shí)際應(yīng)用中，硫化物還存在離子導(dǎo)電性的接觸問(wèn)題，接觸空氣和水的穩(wěn)定性較差，遇水后不僅會(huì)放出劇毒的硫化氫氣體，而且氣味很臭，如果在使用車(chē)的過(guò)程中出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，人會(huì)承受不了。
寧德時(shí)代新能源科技有限公司梁成都博士表示，寧德時(shí)代采用熱壓方式改善界面接觸來(lái)提高電池體系的整體離子導(dǎo)電性，并且對(duì)硫化物材料進(jìn)行了改進(jìn)研究，提高了它的穩(wěn)定性，朝產(chǎn)業(yè)化更進(jìn)一步。
但制造方面是一個(gè)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(shí)代已經(jīng)進(jìn)行一系列的材料研究和工藝開(kāi)發(fā)，在固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化方向進(jìn)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(huì)有自己的選擇。李崢表示，清陶能源的技術(shù)路線(xiàn)是將聚合物和氧化物做成的復(fù)合材料，雖然能夠部分避免固體電解質(zhì)的共性問(wèn)題，但仍需要改進(jìn)，相對(duì)應(yīng)的正負(fù)極也需要改變。
目前業(yè)界有一個(gè)共識(shí)，認(rèn)為現(xiàn)在談全固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化還為時(shí)尚早，因?yàn)榕c其配套的材料、設(shè)備、工藝還不成熟，甚至連生產(chǎn)的設(shè)備都沒(méi)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(shè)備公司核名已經(jīng)完成，正在工商注冊(cè)中。
高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)分析師認(rèn)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(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，技術(shù)突破很關(guān)鍵，而且材料、工藝、設(shè)備都需要相應(yīng)提升。
