全固态锂电池研究进展
2021-04-11孔东波
*孔东波
(河南省法恩莱特新能源科技有限公司 河南 454000)
就当今时代的情况来看,世界上各个国家多半都在面临着能源危机带来的影响,与此同时,环境污染的问题也越来越严重,基于这样的一种情况,人类活动越来越需要使用相应的环保能源或者是能够再生的能源。而事实上,在对于太阳能以及风能或者水电的使用当中,这些能够进行再生的能源,需要进行一定的转换过程,转变为二次能源之后,产生电力,才能够较为广泛的进行使用。电池具有高效、可调的特点,可以作为储能单元集成到电网中,填充电网峰值,与此同时,能够行之有效的加强整个电网的具体运行速度,或者是确保整个移动通信过程当中,具有相当的安全性以及稳定性。与此同时,这种能源的利用,可以被使用在新能源的汽车之中,可以有效的保障人们在日常的生活当中的使用,出行使用的是能够不断进行再生的能源。
1.全固态锂电池的优点
锂离子电池是化学储能最具创新性的手段之一,虽然其产生和应用时间不长,但考虑到锂离子电池的整体寿命较长、其质量要更轻便,同时能够具有更大的功率的特点,能够很好的被选择使用在具体的储能系统当中去,这种能源已经是目前整个行业当中具有一定强度竞争力的主要技术手段。在进行了验证之后,研究发现,这种技术能够为诸多进行生产锂离子电池的企业进行技术上的帮助,同时由于锂离子构成的电池,拥有着不错的装换效率,同时进行维修护理也十分的便捷,由于技术水平的不断进步,以及电池管理体系的完善,有效解决了大规模综合应用问题,开发了一种新技术,通过合理的电力系统频率范围和对准,在调压模式下应用,创造出理想的化学储能能源,保证新能源的运行质量。所有固态锂电池都用于正负电解质,它们是由固体材料制成的二次锂电池,因此称为全固态二次锂电池。在二十世纪中叶到现在为止,全固态锂电池具有了相应的发展以及提升,它能够比传统的电池更加便捷的进行研究与开发,同时由于其中有着固体电解质,所以它不仅起到锂离子导体的作用,而且起到分离器的作用,这意味着全固态锂电池不需要分离器、电解质或电解质。PVC与盐电解质的结合大大缩短了电池的设计阶段。
同以往的电池进行比较,作为二次电池的锂离子电池,能够很好的被大范围使用在电子以及相关的通信事业之中,同时也能够很好地帮助电力运行的汽车进行发展,有着十分不错的未来。然而,传统锂离子电池的发展受到可燃性等安全问题的制约,有机电解质的腐蚀性和弱热稳定性被认为是完全消除的。
全固态锂电池除了具有温度范围宽等优点外,还有以下优点:锂离子电池含有固体材料,同时有着十分不错的封装效率,并且能够大范围的使用在进行编程薄膜元件以及柔性元件上面,同时也能够在医疗器械上的使用,这种电池能够进行多层次的串联,可以很好地提高电压水平。
2.全固态电解质材料
全固态锂电池,其主要构成的电解质能够包括下列两种:有机的聚合物以及无机的固体。其中有机的优点主要是它更加具有安全性能,可制成多种形式,蒸汽轧制法还可以简化生产工艺,制备更容易;电极温度范围窄,电极与电解液的界面不够稳定,力学性能得不到保持,与此同时,聚合物当中的固体电解质极容易产生结晶的现象,这种现象主要是由于整个界面的化学反应以及部分位置产生温度变化的影响,整个电解质产生改变,从而使得界面的电阻增大,最终出现断开问题。对于无极的固体电解质,其拥有着容易蒸发、机械强度高、不泄漏、不易燃、耐温性好等优点。值得注意的是,这种拥有着无机固体电解质性能的电池,主要是在相应的无机材料当中进行收集从而制作的,具有明显的循环性能和储存时间优势,这是各类微电子电池的首选电源。
3.全固态锂电池研究进展
(1)薄膜全固态锂电池研究进展。结合现有的经验和大量的文献,我们可以看到锂薄膜元件只是以薄膜的形式制造在电子基板上,然后用单个电池进行封装。由于锂在薄膜上的制备,最重要和技术上需要的元素是制造单片薄膜的过程,它包括电解质、集电器和负极。锂电池通常采用负电极,采用真空气相沉积技术,对于电解质和正电子,必须使用氧化物,其次是化学沉积和静电雾化,使用rf磁控溅射和rf溅射分别制备薄膜。现在,制备全固体膜的离子电池的技术已经相当发达。但这种蓄电池的能量有限,应用也有限。现在主要用于智能电源卡、室内医疗机器、传感器等领域。
(2)大容量聚合物全固态锂电池研究进展。聚合物电解质材料因其易成膜、性能稳定、重量轻等优点而备受关注。例如,石墨用作负极,聚酯材料为固体电解质;无机材料被包装在活性材料的表面上,以防止正极材料与固体电解质的表面形成连接。固态锂电池是由钛锂、硅负极、聚氧乙烯和磷酸铁锂组成,全固态锂电池以电子纸的形式被设计成柔性电路和太阳能电池板。
(3)大容量无机全固态锂电池研究进展。在无机、全固态锂电池的初期设计阶段,将重点放在电池的能量消耗和电力的提高上。主要是因为固体元素本身需要无机固体材料,提高电池的能量和容量有助于提高电池的安全性。随着研究的深入,固体电池的开发转向了固体电池的使用。丰田汽车开发的固体电解液的正负特性中含有石墨、硫、镍、镍等化合物。电解质和钴锂电池中,充电后的平均充电电压为16.40V,电池输出电压约为16.26V。需要注意的是,固体电极表面与电解液之间的相互作用可能随正极材料的变化而变化。
(4)正极/固体电解质界面研究进展。氧化阴极材料通常是高热量导体的混合物,固态电解硫化物是唯一的锂离子导体。当氧化阳极材料接触硫化物固体电解质时,当锂离子之间的化学活性不明显匹配时,锂离子从硫化物的固体电解液转移到氧化物正极材料,电极和电解液同时形成宇宙电荷。如果需要进行对于硫化氢电解方向的平衡锂离子时,沿着直线持续移动,形成宇宙电荷。它最终被用于电解质方面的损失,导致非常明显的相间电阻。空间中高电阻电荷层的形成大大降低了界面锂离子的迁移动力学。
此外,当填充锂电池的电极体积时,它们的相互传播和变化有效地抑制了固体电解质中的空间电荷,降低了边界电阻,提高了固体中的高放电频率。在固体锂电池中,复合电极通常由活性材料、固体电解质、导电材料构成。
(5)固体电解质的晶界研究进展。有机固体电解质分为结晶电解质和非晶电解质,它由有机固体电解质构成。无机固体电解液由铝2O3-Li等水培和绝缘体组成,无机固体电解液主要由氧化玻璃制成,硫化物和电解质的组成影响电解质的导电性。一般来说,边界电阻决定了电解液的总导电性、边界电阻和增强性。结果表明,该材料具有高密度、高导电性,降低了电解液的总导电性,减少了颗粒数量。提高固体电解液颗粒密度是提高电解液内阻、提高电导率的重要途径。结果表明,复合电解质中的氧化物含量对材料的活性无影响。尺寸和范围不影响所有这些材料的导电性。然而,制备可能会影响材料的活性和导电性。有机固体中的电解质层与室温下的强同位素之间的反应一般,离子降低了电解质的电阻,加工后增加导电性。
4.全固态锂电池目前存在的问题
目前,国内外的主要问题是无法进行较大产量的材料准备,目前来看技术问题是无法解决的。我们所能做的就是利用先进技术降低研究和系统成本,不断改进和优化综合技术,发展新技术,研究化学和能源电解质和电极的强化和反应。就目前来看,主要有下列几点问题:
(1)无机电池、全固态锂元素的科学设计与设计;
(2)电解液或阳极界面的控制与优化是主要问题;
(3)制备了无机锂固体电解质材料。
比如,无机和全固态锂电池的设计和设计需要从结构性能的角度考虑,这些电池比液态锂离子电池简单,但需要独立设计和优化,最终,满足锂电池的制备要求。为了提高整个电池的能耗,必须考虑其高功率。但虽然有一些常用的制备技术,如无机、全固态大容量锂电池,但该技术不仅是制备电池的好方法,而且是提高电池效率的好方法,还有钠、硫、氧化物燃料电池等技术,从安全性评价和新界面等方面,对各单元在工作温度下的热膨胀系数、电解液与电解液烧结过程的相互作用以及存在的问题进行了探讨。
5.结束语
综上所述,目前对于全固态锂电池的研究历程是较为平缓的,其主要的使用范围也有了一定程度的增加,随着技术的进步,对于这种锂电池的具体技术研究成果也在不断的加深。虽然所有的固态锂电池性能都比较安全,周期长,但有望应用于储能领域,但是由于电解质以及相应的电极界面,具有一定的相容性质以及平稳的性质,因此这两种性质的存在将对于全固态锂电池的研究进度产生严重拖延。所以,在对于全固态锂电的具体使用过程当中,应该进行标准化边界电阻设计,并且在其中添加进去一定量的导电层,以期能够较少或者抹除其由于电荷空间层产生的种种不利影响,有效的避免边界层的生产,降低结阻抗是未来全固态锂电池的常见问题。