全固态锂电池技术研究现状和发展趋势

2022-08-17朱家辰

通信电源技术 2022年8期

朱家辰

（郑州大学化工学院，河南郑州 450000）

1 全固态锂电池的概述

为了促进我国新能源技术的快速发展，《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》提到实施动力电池技术突破行动，加快全固态动力电池技术研发及产业化[1]。全固态锂电池是指电池的正负两级包括电解质都是固态，不存在任何液体成分，彻底解决了传统液态锂电池受热易爆炸的困境。全固态锂电池是通过锂离子进行能量传递的，具体的方程式如下。正极反应：LiFePO4Li1-xFePO4+xLi++xe-；负极反应：xLi++xe-+6CLixC6；总反应：LiFePO4+6xCLi1-xFePO4+LixC6。全固态锂电池能量传递如图1所示。

图1 全固态锂电池能量传递

全固态锂电池的优势：

（1）高安全性。传统液态锂电子电池的电解质中有易燃的液态有机溶剂，在遇到高温或因电池短路而导致局部温度升高时，极易发生电池爆炸。而全固态锂电池乃无机材质，不易挥发、阻燃性好，在遇到高温时不易发生爆炸，具有很高的安全性能。

（2）高能量密度。传统的液态锂电子电池由于存在液态的电解液，因此需要用软包将其包裹，以防流失。如此一来，电池的体积、质量都不可能很小。而固态锂电子电池无需重重包裹，可以直接正极、电解质、负极相串联，从而实现高能量密度。同时，固态电解质具有较宽的电化学稳定窗口，匹配具有更高理论容量的高压正极材料时，能够实现电池能量密度的进一步提升[2]。

（3）高循环次数。传统的液态锂电子电池的正负两极在高温下会与电解液发生一定的反应，同时锂盐在高温下也会发生一定的分解促进电解液的反应，电解液消耗殆尽便无法储能。而全固态锂电池则不存在正负极与电解液发生反应的现象，也不存在锂盐在高温下的溶解，在充放电时化学性能稳定。固态电解质中锂枝晶生长示意如图2所示。

2 固态电解质的研究现状

固态电解质作为全固态电池的核心部件，直接影响电池的性能和寿命。目前，各国对全固态锂电池的研究核心是固态电解质。全固态锂电池分为有机固态锂电池与无机固态锂电池，它们在锂离子转移数、离子电导率、化学稳定性以及机械强度等方面各有差异，合理利用材料实现优缺互补才能促进固态电解质实现更好的发展[3]。

有机固态电解质安全性高、制作简单，可以做成多种形状，大多以聚合物为主。聚合物之间容易发生结晶现象，导致电阻增大。与此同时，有机固态聚合物电解质的锂离子转移数和离子电导率较低。无机电解质则具有不易燃、不泄漏、机械强度高、循环性能好等优势，目前大多运用于电子通信领域。无机电解质主要分为氧化物、硫化物两种，其中氧化物固态电解质主要有钙钛矿结构、石榴石型结构等[4]。氧化物电解质化学稳定性及机械强度较好，虽然比有机固态电解质的锂离子电导率高，但是相对于硫化物固态电解质而言偏低。硫化物电解质主要包括玻璃体、玻璃-陶瓷态、晶体硫化物，硫元素与其他元素相比具有较大的半径，与Li离子的结合能低，因而具有最高的锂离子电导率。

综上所述，有机固态聚合物电解质最大的劣势在于低的离子电导率和锂离子迁移数，但其柔韧的特性便于大规模生产和电池装配[5]。无机固态电解质的优势在于其具有较高的锂离子电导率和机械强度，但是无机材料易碎的性质使其难以实现规模化生产。

3 全固态锂电池的应用及发展趋势

3.1 全固态锂电池未来发展趋势

通过上述固态电解质的研究现状分析可以发现，目前全固态锂电池的发展还存在着一定的困境：一是制备的成本较高；二是能量密度还有提升的空间；三是固体电解质、电极间界面阻抗大，界面相容性较差；四是如何制备离子电导率更高的无机电解质材料。

首先，可以通过规模化生产来降低成本，有机/无机复合固态电解质可以最大化发挥两种材料的优势，提高了电导率和热稳定性，改善了机械性能和界面稳定性[6]。杜奥冰等人借鉴刚柔并济的思想将锂离子电池固态聚合物电解质与聚氰基丙烯酸酯混合并涂布在纤维基底上制备复合固态电解质，纤维为电解质提供刚性骨架，聚合物则提供锂离子传递通道，大幅提升电解质的力学性能和电化学性能[7]。

其次，固态电解质结构调控与优化是强化其离子传递特性及稳定性的关键。有机-无机复合策略可耦合材料的优势，启发电解质结构及功能设计，并为离子传递特性及稳定性的强化提供思路[8]。未来可以设计和制备复合固态电解质，协同发挥聚合物良好的柔性、界面稳定性和无机电解质高离子电导率、高阻燃性能的优势，提升离子电导率和电极-电解质界面相容性。与此同时，大幅增强力学性能，可有效抑制锂枝晶生长，避免电池短路造成安全问题[9]。

最后，强化电解质锂离子传递能力。基于分子水平设计规整有序的锂离子传递通道，调控适宜锂离子传递的物理结构及通道化学环境，从介尺度分析结构设计对锂离子传递行为的影响机制，揭示锂离子在限域空间的传递机理[10]。