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介紹一下全固態電解質鋰電池

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年06月29日  

根據近期流傳的技術趨勢猜測,全固態鋰電池,可能在2030年之前實現固態電解質技術打破,單體能量密度超越500Wh/kg的方針,并且抵達量產能力。今天重視一下全固態電解質鋰電池。


1鋰電池的品種


鋰電池的分類辦法比較多,可以依照正極材料類型區別,負極材料類型區別,電解液類型區別等等,咱們常說的三元材料仍是磷酸鐵鋰或許錳酸鋰,便是依照正極材料區別的結果。在鋰電池當前展開階段上,鋰電池性能上的差異首要表現在正極材料的差異上,因此人們習慣于用正極材料的稱號給一個技術路途命名。


往后兩年,高鎳三元將成為量產可能性最高的一種技術路途,而含鎳量的不同,又成了技術路途的名字,622、811,這是鎳鈷錳在三元正極材料中的占比聯系。這仍然是一種針對正極材料差異的提法。


歐陽明高院士最近給出的技術路途猜測中,高鎳往后,能量密度抵達400Wh/kg的希望,很大程度上寄托在全固態電池的身上。固態電池,相對于傳統鋰電池的液態電解液而言的,電解質為導電率很高的純固態物質,這是一種針對電解液形態的命名辦法。


與固態電池平行的別的兩種技術路途應該可以叫做液態電解液鋰電池和半固態電解液鋰電池。液態電解液鋰電池,傳統稱號中三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰都屬于液態電解液鋰電池規模。半固態電解液,電解質是介于固態和液態之間的狀況,現在常見的材料是聚合物電解質,在常溫下為凝膠態。


2全固態鋰電池的優缺陷


長處


1)安全性好,電解質無腐蝕,不可燃,也不存在漏液問題;


2)高溫安穩性好,可以在60℃-120℃之間工作;


3)有望獲得更高的能量密度。固態電解液,力學性能好,有用抑制鋰單質直徑生長構成的短路問題,使得可以選用理論容量更高的電極材料,比如鋰單質做負極;固態電解質的電壓窗口更寬,可以使用電位更高的材料做正極而不吝憂慮電解質分化問題;


4)固態電解質支撐電芯薄膜化規劃,最小可以抵達幾個納米,拓寬了鋰電池的使用規模,并且使得電池自帶柔性成為可能。


5)可以選用電阻較大、充放電進程體積改變比較大的材料做正負極,薄膜化的正負極材料,只需成膜性能好,即便材料電阻偏大,只需足夠薄往后,仍然不會給電池特性帶來顯著影響。


缺陷


1)溫度較低的時分,內阻比較大;


2)材料導電率不高,功率密度前進困難;


3)制作大容量單體困難;


4)大規模制作中的正負極成膜技術還在會合火力研討中。


3全固態鋰電池組


全固態鋰電池,首要由薄膜負極,薄膜正極和固態電解質組成。薄膜物質可以有多種挑選材質。


3.1薄膜負極


薄膜負極材料首要分為鋰金屬及金屬化合物,氮化物和氧化物。


金屬鋰是最具代表性的薄膜負極材料。其理論比容量高達3600mAh/g,金屬鋰十分生動,其熔點只需180℃,十分簡單與水和氧發生反響,電池制作工藝中許多溫度較高的焊接辦法都不能直接使用在鋰金屬負極電芯的生產中。


鋰合金材料不但具有較高的理論比容量,還可以下降鋰的電化學活性。常見的鋰金屬化合物有LixSi、LixAl、LixPb等。但鋰化合物在充放電進程中,體積改變顯著,簡單構成晶格結構的崩塌。


氮化物負極材料可以分為鋰金屬氮化物,鋰過渡金屬氮化物和非金屬氮化物。鋰金屬氮化物可逆容量高,嵌鋰平臺低,首要品種有CrN、Cu3N、Ge3N4等。鋰過渡金屬氮化物有Li3-xCoxN、Li3FeN2等;非鋰金屬氮化物有SiN,VN等。氮化物做負極的首要特點是高的離子電導率和可逆容量。


氧化物負極材料可以分為金屬氧化物和金屬基復合氧化物。金屬氧化物負極有TiO2、Al2O3、In2O3、SiOx等;金屬基復合物氧化物有Li4Ti5O12、LixMoO2、LixWO2、LiNiVO4、SnAlxOy等;SiOx和SnAlxOy等容量盡管高,但衰減也比較顯著。LixMoO2循環性好,但容量比較低。具有尖晶石結構的Li4Ti5O12被稱為“零應材料”,是安穩性極好的一種負極材料。


3.2薄膜正極


大多數可以膜化的高電位材料均可用于固態化鋰電薄膜正極材料。薄膜正極材料首要分為金屬氧化物,金屬硫化物和釩氧化物。


適合做正極材料的金屬化合物,多數已經在傳統鋰電池范疇得到了使用,比如LiMn2O4、LiCoO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiFePO4等。


金屬硫化物被用作鋰電池正極材料,包含TiS2、FeS2、SnS2和CuS2等。其間,TiS2薄膜材料的能量密度抵達了450Whkg-1,在嵌入和脫嵌鋰進程中具有挨近100%的庫倫功率。


釩氧化物做正極材料,首要是指V2O5,無定形V2O5材料循環安穩性好,可逆容量高,是一種比較有研討潛力的材料。


3.3固體電解質


固體電解質,以固態方法在正負極之間傳遞電荷,要求固態電解質有高的離子電導率和低的電子電導率。固態化電解質大致可以分為無機固態電解質、固態聚合物電解質和無機有機復合固態電解質。


無機固態電解質是典型的全固態電解質,不含液體成份,熱安穩性好,從根本上處理了鋰電池的安全問題。加工性好,厚度可以抵達納米尺度,首要用于全固態薄膜電池。無機固態電解質,從構型不同的角度動身,又包含NASICON結構,LISICON結構和ABO3的鈣鈦礦結構。鋰金屬化合物比鈉金屬化合物的電導率大,這是構型中,鋰離子所在的空間位置抉擇的。鈣鈦礦結構的化合物首要是利用A位的空缺來添加鋰離子的活動空間來前進鋰離子電導率。


玻璃態的無機固態電解質首要有氧化物(例如,P2O5、B2O3、SiO2、Li2O等)、硫化物(Li2S、SiS2等)、硫氧化物(LiS-SiS2中摻入少數的Li3PO4、LiAlO2、Li2SiO3等)和氮氧化物(LiPON、LiSiPON、LiSON)等。其間硫化物的熱安穩性比較差,參加恰當的氧化物,可以前進固態電解質的安穩性和離子導電率。


無機固態電解質離子電導率較高,電子電導率較低,電化學安穩窗口寬,結構安穩,易于成膜,工藝簡單,具有寬廣的使用遠景。


固態化聚合物電解質,由鋰鹽和聚合物構成,大致可以分為全固態類和凝膠類。全固態類是由鋰鹽和高分子基質絡合而成的。鋰鹽例如:LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6等。高分子基質比如:PEO、PAN、PVDF、PVDC和PMMA等。凝膠類是由鋰鹽與液體塑化劑,溶劑等與聚合物基質構成安穩凝膠的電解質材料。電化學安穩性杰出,安全性較好,工藝簡單。現在咱們常說的聚合物鋰電池,具有加高的能量密度和較好的安全性,其電解質便是凝膠類聚合物作為電解質的產品。


無機有機復合固態電解質,是指在聚合物的固態電解質傍邊參加無機填料所構成的一類電解質。一定量活性無機填料的參加可以添加鋰離子分散通道,離子電導率顯著前進。


全固體電解質的研討首要會合在開發高電導率無機電解質和有機-無機復合電解質。硫化物固體電解質具有較高的室溫離子電導率,可是其環境安穩性差。氧化物固體電解質化學安穩性好,但室溫離子電導率較低。有機-無機復合電解質兼具有機物杰出的柔性和無機物高的機械強度,可是因為聚合物基體的電導率低,且低溫環境下易結晶,因此復合電解質的室溫電導率偏低。


4全固態電池的界面問題


全固態鋰電池,一個重要的技術難點是電解質與電極之間構成高電阻界面問題。整個技術都還在展開進程中,對此問題暫時沒有一致的觀點,一般估測的全固態電池正負極與電解質之間的界面構成原因:


1)因為外加電壓高于電解質可以接受的電壓規模,使得電解質發生氧化或許還原,進而在正極或許負極表面上構成界面;


2)固體電解質的性質自身就與電極材料不相容,因此發生反響,生成物結成界面;


3)充放電進程中,離子的嵌入脫出進程的副產物,構成電極與固態電解質的界面。


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