固態(tài)電池的5種構(gòu)型、現(xiàn)有研發(fā)水平及待攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

大家好，小科來為大家解答以上問題。固態(tài)電池的5種構(gòu)型、現(xiàn)有研發(fā)水平及待攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)這個(gè)很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、(文/程)近年來，隨著電動(dòng)汽車普及率的快速提高，固態(tài)電池受到了國內(nèi)外企業(yè)和科研人員的廣泛關(guān)注和重視，發(fā)展迅速。目前固態(tài)電池的市場參與者很多，包括車企、電池公司、投資機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)等。

2、所謂固態(tài)電池，就是使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池。因?yàn)橛霉腆w電解質(zhì)代替電解質(zhì)和隔膜，首先固體電池的熱穩(wěn)定性更高，不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部短路。其次，固體電解質(zhì)具有更高的本質(zhì)安全性；理論上，固態(tài)電池接口更穩(wěn)定，使用壽命更長。此外，固態(tài)電池的能量密度可以進(jìn)一步提高。

3、固態(tài)電池面臨的困難

4、從目前的推進(jìn)速度來看，我們離全固態(tài)電池還有一段距離，預(yù)計(jì)要到2030年以后才能商用。因?yàn)檫€有幾大難點(diǎn)沒有解決：

5、第一，從材料上看，固體電解質(zhì)無法兼顧高離子電導(dǎo)率和穩(wěn)定性；

6、第二，從界面上看，剛性的固-固接觸不能保證離子在原子水平上的高效輸運(yùn)；

7、在三枝晶生長方面，鋰枝晶生長容易穿透固體電解質(zhì)；

8、第四，在電池制造方面，現(xiàn)有固體電解質(zhì)成本較高。

9、也就是說，從材料、界面、枝晶生長和電池制造的角度來看，目前的全固態(tài)電池還不能滿足目前的需求。安全性高、比能量高的全固態(tài)電池離我們還很遠(yuǎn)。然而，在現(xiàn)有商用液體電池?zé)o法滿足我們?nèi)找嬖鲩L的電池能量密度需求的情況下，半固體電池應(yīng)運(yùn)而生。

10、半固體電池更適合現(xiàn)在的電池發(fā)展道路，因?yàn)榘牍腆w電池的安全性比液體電池高；與現(xiàn)有電池生產(chǎn)線的兼容性更高，易于產(chǎn)業(yè)化；還能解決接口問題。

11、最近，朱高龍博士，R & amp歐陽明院士工作站四川新能源汽車創(chuàng)新中心有限公司固態(tài)電池d主任，就固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)問題做了在線分享。他將固態(tài)電池分為五種配置，并詳細(xì)解釋了現(xiàn)有的R & amp這五種配置需要攻克的d級(jí)和關(guān)鍵技術(shù)。

12、固態(tài)電池配置1和需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)

13、無論是液體電池、半固體電池還是固體電池，結(jié)構(gòu)都是一樣的。一般兩邊是正負(fù)電極(如圖1)，中間是電解質(zhì)，用來輸送負(fù)離子，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換。電芯分為圓柱形、軟袋形和方形外殼。電池被串聯(lián)和并聯(lián)組合以形成模塊或電池組，以滿足汽車或其他應(yīng)用的需要。

14、圖1:單體電池結(jié)構(gòu)示意圖

15、固態(tài)電池配置1實(shí)際上相當(dāng)于在液態(tài)電池的配置上引入了一層固體電解質(zhì)涂層。涂層可以在隔板上或者在陽極和陰極上。

16、圖2:固態(tài)電池配置1的結(jié)構(gòu)

17、朱高龍博士指出，這看起來和液體電池沒什么區(qū)別，但實(shí)際上有很多訣竅，主要體現(xiàn)在選材、區(qū)間設(shè)計(jì)、材料配方等方面。

18、圖3:固態(tài)電池配置1的特征

19、然而，優(yōu)點(diǎn)是配置1中使用的設(shè)備與現(xiàn)有設(shè)備高度兼容。另外，在技術(shù)成熟度上，很多廠商已經(jīng)有了很長時(shí)間的積累，很多關(guān)鍵點(diǎn)已經(jīng)解決。例如，涂層厚度現(xiàn)在可以非常均勻地分布，從幾十納米到幾納米甚至幾百微米。此外，涂層的配方，包括電解質(zhì)的粒度、結(jié)構(gòu)、比例、粘合劑和添加劑組分都可以很好地控制。

20、配置1的特點(diǎn)是可以保證電氣性能，提高電池安全性，但問題是安全性提升不夠。朱高龍感嘆，如果這項(xiàng)技術(shù)能將鎳90的安全性提高到鎳50的安全指標(biāo)，電池的能量密度將b

21、固態(tài)電池第一次配置時(shí)，我們?cè)诟裟ど贤苛艘粚犹沾赏繉?，安全性大大提高。但液態(tài)電池中仍有大量有機(jī)電解液，有機(jī)電解液會(huì)與陽極釋放的氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電池安全失效。

22、因此，在兩種固態(tài)電池配置中，引入了原位固化技術(shù)，即引入膠體/固體電解質(zhì)固化電解液，防止電解液流動(dòng)，防止物種在釋氧過程中持續(xù)反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高安全性能。

23、圖4:固態(tài)電池配置2遇到的技術(shù)要點(diǎn)

24、但技術(shù)還沒有完全成熟，主要難點(diǎn)是固化后，整個(gè)電池的安全性或合格率會(huì)有很大提高，但熱箱測試可能達(dá)不到要求，電池的性能尤其是倍率性能會(huì)迅速衰減。

25、因此，在固化配方中，如單體選擇，固化后，無論是膠體還是完全固體；需要特別注意離子導(dǎo)電性、作為基底的隔膜的選擇以及隔膜中離子傳輸?shù)男阅堋４送?，還要注意固體電解質(zhì)的引發(fā)劑。比如有些引發(fā)劑雖然可以很好的固化單體，但是固化后引發(fā)劑本身并不穩(wěn)定，導(dǎo)致半固體電池的安全性不如液體電池。

26、朱高龍強(qiáng)調(diào)，這里的想象很美好，但其中材料的選擇很關(guān)鍵。

27、配置目前最大的特點(diǎn)就是針刺通過率大大提高。因此，原位固化技術(shù)受到了企業(yè)的廣泛關(guān)注。比如蔚來在原位固化的設(shè)備、方法、配方等方面都有很多成果。

28、泰特

圖5：半固態(tài)電池現(xiàn)有研發(fā)水平及待攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

31、在構(gòu)型3的關(guān)鍵點(diǎn)在于電解液量的控制和封膠技術(shù)，這樣的技術(shù)類似于在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。比如比亞迪的刀片電池，寧德時(shí)代的CTP/CTC電池等。它的特點(diǎn)是針刺通過率及熱箱性能大幅提升，遇到的問題是固態(tài)電解質(zhì)密度大，能量密度有損失，能量密度于安全性能的平衡。固態(tài)電池構(gòu)型4面臨的技術(shù)難點(diǎn)固態(tài)電池構(gòu)型4，主要就是把液態(tài)電池中的隔膜與電解液替換成了固態(tài)電解質(zhì)。經(jīng)過多年的試驗(yàn)，大家發(fā)現(xiàn)液態(tài)電池種的隔膜和電解液是影響電池的安全性能的主要因素。因此，提升電池安全性能最為有效的辦法就是減少電解液的用量，從而很容易想到新型導(dǎo)鋰離子聚合物電解質(zhì)、無機(jī)的陶瓷電解質(zhì)，或者是聚合物電解質(zhì)膜與無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)混合的電解質(zhì)。要求就是需要這種電解質(zhì)穩(wěn)定，一致性高，與正負(fù)極有很好的兼容性。同樣在這里面，隔膜和隔膜內(nèi)的電解液，換成聚合物電解質(zhì)或無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。在正極同樣可以用到原位固化的技術(shù)，或者直接加入膠態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)，也同樣可以使用封膠的技術(shù)，這相當(dāng)于在原來固態(tài)電池中做一個(gè)整體升級(jí)。

33、在2015年時(shí)，法國的電池制造商Bollore生產(chǎn)出來了聚合物電解質(zhì)固態(tài)電池。從以前的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)來看，Bollore公司其實(shí)用的是聚合物電解質(zhì)，聚合物電解質(zhì)在60℃時(shí)，會(huì)軟化，類似于果凍或者膠態(tài)的性質(zhì)。這種情況下與正負(fù)極的界面接觸得很好，本身在60℃下，本身有比較高的離子導(dǎo)率，這樣就會(huì)形成一個(gè)類似于液態(tài)電池的一個(gè)狀況。就是有良好的接觸，特別是電極與活性材料，電極與電解質(zhì)之間有一個(gè)很好的接觸。這樣保證了離子定向輸運(yùn)的快速，高效地運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)在整車上的應(yīng)用。

35、構(gòu)型4最主要的缺陷有兩點(diǎn)，一是聚合物電解質(zhì)需要在高溫下運(yùn)行，難以匹配高電壓的正極材料，比如說三元，高鎳的一些正極材料；二是聚合物電解質(zhì)軟化之后，具備了一定的流動(dòng)性，是否還安全也存在一些疑問；三是在高溫下運(yùn)行，會(huì)浪費(fèi)一部分的能量；四是離子導(dǎo)率提升不了；五是在常溫下是固態(tài)的，會(huì)存在固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極固固接觸比較困難，特別是聚合物還有一定的彈性，會(huì)導(dǎo)致離子穿過負(fù)極，到達(dá)電解質(zhì)膜時(shí)，阻抗會(huì)變得很大。也就是說除了高離子導(dǎo)率問題，還有固固接觸的問題。這就是為什么固態(tài)電池的發(fā)展路線會(huì)從半固態(tài)逐漸過渡到全固態(tài)。有兩個(gè)方面的原因，一是聚合物的半固態(tài)，離子導(dǎo)率非常難以提升，后續(xù)如果要做成全固態(tài)，還是會(huì)面臨固固接觸的問題。二是聚合物的物質(zhì)，它的熱穩(wěn)定性，還是沒有全固態(tài)熱穩(wěn)定性高。全固態(tài)電池構(gòu)型5第5種類型，就是固態(tài)電池的終極目標(biāo)------全固態(tài)電池，就是里面完全排除了電解液的使用。正極和負(fù)極內(nèi)也是固態(tài)電解質(zhì)來進(jìn)行離子輸運(yùn)，這會(huì)使得安全性大幅提升，同時(shí)，負(fù)極可以使用金屬鋰，整體提高電池的能量密度。

37、新聞報(bào)道里常說的固態(tài)電池具有高能量密度，其實(shí)不是因?yàn)楣虘B(tài)電池本身的能量密度高，而是因?yàn)楣虘B(tài)電池可以匹配這種高比能的新型正負(fù)極材料。才能夠把固態(tài)電池的能量密度做進(jìn)一步的提升。如果常規(guī)下，跟液態(tài)電池一樣使用同樣的石墨負(fù)極，正極有磷酸鐵鋰，或者三元材料的話，其他成分都不變，只是把電解液和隔膜換成固態(tài)，其實(shí)能量密度是降低的。

39、相對(duì)于和歐美來說，國內(nèi)在固態(tài)電池方面的投入起步相對(duì)比較晚，整體研發(fā)水平跟比還有一定的差異，這里的差異主要體現(xiàn)在固態(tài)電解質(zhì)的合成。為什么目前固態(tài)電池還沒有大量產(chǎn)業(yè)化呢？其實(shí)，最主要的原因是電解質(zhì)的合成成本高，推廣起來困難；第二個(gè)更關(guān)鍵的因素就是固固接觸的界面問題。因?yàn)橐坏┑搅巳虘B(tài)，全是固固接觸的話，如何保證良好的界面，以及充放電過程中，還是共型的接觸，保證離子的輸運(yùn)等。比如相對(duì)腳軟的硫化物電解質(zhì)就需要一個(gè)比較大的壓力，大概要200~500MPa才能保證在初步第一次壓完之后，正極和固態(tài)電解質(zhì)，以及負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)有一個(gè)良好的接觸，接觸好，離子的定向輸運(yùn)才能保證電池能量輸送出來，或者存儲(chǔ)進(jìn)去。也就是說一定要保證固態(tài)電解質(zhì)與電極的良好接觸。要保證良好的接觸，就需要這樣大的壓力。這個(gè)壓力在目前來講，特別是電池后續(xù)的制備制造過程中，200~500MPa的壓力就變得比較困難。就算能達(dá)到，又怎么能保證效率。這是全固態(tài)電池發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。能保證3到400平方厘米的面積下，能夠快速壓片的技術(shù)也是后續(xù)電池組裝中非常關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)。同時(shí)，非常明顯的一點(diǎn)就是全固態(tài)電池，完全顛覆了前面幾種電池構(gòu)型的產(chǎn)線，它的加工方法和加工形式可能就發(fā)生了改變。也就是說，全固態(tài)電池的關(guān)鍵點(diǎn)就是高離子導(dǎo)率、穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)，以及電池裝配工藝。遇到的問題是成本高，工藝要求高，規(guī)?；щy。

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