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锂电池最终发展方向是什么?

2019-06-21

当前市场上的锂电池:聚合物锂电池由高分子材料和金属材料合成,具备小型化、轻量化、厚度超薄,高容量的特点,在智能穿戴设备应用上非常受欢迎,但是锂电池最终发展的形态方向是什么呢?

固态聚合物锂离子电池

固态聚合物锂离子电池

优点:漏液的可能性比较小,外包装可以用laminate软包材质,有利于实现电池的薄膜化,电池的形状设计方面自由度大,能量密度也大大提高。

缺点:由于使用凝胶状电解液,锂离子传导性能比较差,需要较长时间的充电,倍率性上比液体电解液也要差一些。但目前技术,经过聚合过程的改善,高端电解液和添加剂使得循环寿命和放电的倍率性提高的很快,跟液体电池没有太多差异。

聚合物锂电池之后的技术发展会向全固体电池、固体电解质材料与添加剂发展。目前聚合物电池性能上还没达到固体电池的水平,固体电池能量密度未来的目标:400Wh/kg,3000次循环寿命(10年),倍率性能、容量与安全性有大幅度提高。

新电池材料探索在于不容易挥发,阻燃性的下一代电解质材料及添加剂离子电解液提高电化学性、热稳定性,添加剂使得电池散热性能及导电性能不受固体影响,达到或超过液体电解质的导电导热水平。

为了向固体锂离子电池进军,目前业内正在开发采用离子传导性聚合物和陶瓷的固体高分子电解质。

但是,固体高分子电解质材料采用目前离子传导率最高的聚乙烯类(Polyethylene

oxide聚环氧乙烷)聚合物的话,阴离子的离子传导会阻碍锂离子的移动,所以导致影响输出功率的实效性,锂离子传导率的数值较低。

日本科学家开发成功的固体高分子电解质是一种聚乙二醇(Polyethylene

glycoD酸脂化合物,形成了以不阻碍聚乙烯类聚合物运动的硼酸脂化合物的形式导入具有固定阴离子功能的硼原子的构造。与此前一直研究的碳酸类聚合物相比,可在室温(20℃)条件下达到3倍以上的实效性锂离子传导率。

采用固态电解质的大容量新一代锂电池,即所谓“全固态电池”近来开始受到瞩目。这是由于其在能量密度提高的同时,还可望确保安全性和实现长寿命。对电动车和定制式用大型锂离子充电电池而言,保证安全是最重要的。

采用有机电解液的传统锂离子充电电池,因有过度充电、内部短路等异常时可能导致电解液发热,有自燃或甚至爆炸的危险。而将有机电解液代之以固态电解质的全固态电池,其安全性可大幅提高。并且,因在理想状态下,固态时锂的扩散速度(离子传导率)较液体电解液时高,理论上认为其可实现更高的输出。

并且,固态电池包括其制造方式在内,可能会实现突破现有电池概念的特性。例如,因不必封入液体,则电池外装可以简化,从而能以卷对卷(roll-to-roll)方式制造大面积单元。进一步,还可将数层电极层积,并在单元内串联,制作12V或24V的大电压单元等,使此前不可能的电池得以实现。

电动车和定制式蓄电用大型电池和超大型锂电池,而非迄今为止的主流——便携设备用的小型电池的需求激增,因此要求电池特性的改变,使得研发方向发生重大改变。特别是对电池的安全性与使用寿命,有比现有的锂离子充电电池更加严格的要求。其中,安全性自不待言,固态电池有明显优势;而在延长使用寿命方面,“固态电池的周期寿命特性原本就优异”。

耐高电压:除了比目前的锂离子充电电池更安全与使用寿命更长,提高能量密度也是固态电池的一个开发主题。使固态电池具有可增加能量密度特征的理由之一是固体电解质电位窗(potential

window*)的宽广度。而现有传统的有机电解液,当电池电压接近4V时电解液就开始分解,因此很难提高电池的电压上限。

电位窗(Potential window):由溶剂和盐组成的电解液不出现氧化还原反应的电压范围。取决于溶剂、盐与电极材料。

目前,为提高容量,锂离子充电电池的负极正准备变更为电流容能高的硅等材料。与负极相应的高容量正极材料虽同样重要,但尚未发现有望支持更高电流容量的正极材料。因此,在正极材料方面,将利用电流容量不变,而以高电压来增加能量密度的所谓·“5V”正极材料作为了目标。

但即使采用5V电压型正极材料,传统的有机电解液还是会分解,电池的电压还是不能提高。而使用具有更宽广电位窗的固态电解质,便可令5V正极成为可行的解答。

因固态电解质是固体,当电极材料与电解质间的界面发生反应时,其进一步反应难以进行,比有机电解液难分解,因而电位窗高。

并且,固态电解质对作为锂聚合物充电电池而受到关注的硫化锂(Li-S)*与锂空气(Li-air)*电池等的下一代电池的实现,似将发挥重要的作用。硫化锂电池使用硫(S)类材料为正极,若使用有机电解液,硫会溶解于其中。如能利用固态电解质,则这个问题就不存在了。

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