開發(fā)背景

鋰電安全一直都是行業(yè)關(guān)心的問題。由于應(yīng)用端及政策層面對能量密度的要求不斷提升，三元電池成為主流技術(shù)路線的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。但時至今日，困擾三元電池的安全性仍然沒有得到很好的解決，就連號稱BMS做到全球最好的特斯拉，也是安全事故不斷，2017年僅國內(nèi)就有兩輛ModelS發(fā)生嚴(yán)重起火事件，三元電池的安全性仍然受到大家的質(zhì)疑。

隨著新能源汽車的發(fā)展，高能量密度、高安全性電池成為市場的必爭目標(biāo)。有專家認(rèn)為，利用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)電解質(zhì)是從本質(zhì)上提升鋰離子電池安全性的必由之路。

全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機液態(tài)電解液，有望從根本主解決電池安全性問題，是電動汽車和規(guī)?；瘍δ芾硐氲幕瘜W(xué)電源。全固態(tài)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)包括正極、電解質(zhì)、負(fù)極，全部由固態(tài)材料組成。

與傳統(tǒng)電解液鋰離子電池相比具有的優(yōu)勢

完全消除了電解液腐蝕和泄露的安全隱患，熱穩(wěn)定性更高。由于液態(tài)電解質(zhì)中含有易燃的有機溶液，發(fā)生短路溫度驟升時容易發(fā)生燃燒和爆炸，要安裝抗溫升和防短路的安全裝置結(jié)構(gòu)。而固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，因而全固態(tài)電池具有極高安全性。

不必封裝液體，支持串行疊加排列和雙極結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率;

由于固體電解質(zhì)的固態(tài)特性，可以疊加多個電極;

電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬(可達5V以上)，可以匹配高電壓電極材料:

固體電解質(zhì)一般是單離子導(dǎo)體，幾乎不存在副反應(yīng)，使用壽命更長。

相對較輕。相比液態(tài)電池，相同容量的電池組，固態(tài)電解質(zhì)電池相對較輕。比如特斯拉-松下生產(chǎn)的三元鋰離子電池組質(zhì)量達到900kg，而固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司SeeoInc生產(chǎn)的相同容量電池組的質(zhì)量卻只有323kg，接近前者的三分之一。

然而，固態(tài)電池也有缺點。固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率總體偏低導(dǎo)致了其倍率性能整體偏低，內(nèi)阻較大，充電速度慢，且成本總體偏高，現(xiàn)在的固態(tài)電池假如要和普通鋰離子電池在傳統(tǒng)市場上競爭，并沒有太大的優(yōu)勢。因此，發(fā)揮固態(tài)電池本身高安全性、高溫穩(wěn)定性、可能達到的柔性等其它多功能特性，與傳統(tǒng)鋰離子電池在差異化的市場中進行競爭，可能是固態(tài)電池近期內(nèi)比較有希望的市場突破方向。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)(SPE)

組成：由聚合物基體(如聚酯、聚酶和聚胺等)和鋰鹽(如LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等)構(gòu)成。

特點：質(zhì)量較輕、黏彈性好、機械加工性能優(yōu)良等。

重要類別：聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚環(huán)氧丙烷(PPO)、聚偏氯乙烯(PVDC)以及單離子聚合物電解質(zhì)。

機理：固態(tài)聚合物電解質(zhì)中離子傳輸重要發(fā)生在無定形區(qū)，而室溫條件下未經(jīng)改性的PEO的結(jié)晶度高，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率較低，嚴(yán)重影響大電流充放電能力。研究者通過降低結(jié)晶度的方法提高PEO鏈段的運動能力，從而提高體系的電導(dǎo)率，其中最為簡單有效的方法是對聚合物基體進行無機粒子雜化處理。目前研究較多的無機填料包括MgO、Al2O3、SiO2等金屬氧化物納米顆粒以及沸石、蒙脫土等，這些無機粒子的加入擾亂了基體中聚合物鏈段的有序性，降低了其結(jié)晶度，聚合物、鋰鹽以及無機粒子之間出現(xiàn)的相互用途新增了鋰離子傳輸通道，提高電導(dǎo)率和離子遷移數(shù)。無機填料還可以起到吸附復(fù)合電解質(zhì)中的痕量雜質(zhì)(如水分)、提高力學(xué)性能的用途。

從整體來看，固態(tài)電池現(xiàn)在的制備技術(shù)成熟度還有待加強，能形成規(guī)模產(chǎn)量的公司有限，技術(shù)規(guī)模化擴產(chǎn)要克服的困難還有很多，仍處于推廣發(fā)展期。但可以預(yù)期的是，隨著研發(fā)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，全固態(tài)電池中的科學(xué)和工藝上的問題會逐漸得到緩解，在未來幾年，固態(tài)電池產(chǎn)品的市場會迎來蓬勃發(fā)展的機遇。