鋰電安全一直都是行業關心的問題. 由於應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路線的趨勢已不可逆轉. 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年僅國內就有兩輛ModelS發生嚴重起火事件, 三元電池的安全性仍然受到大家的質疑.
隨著新能源汽車的發展, 高能量密度, 高安全性電池成為市場的必爭目標. 有專家認為, 利用固態電解質替代傳統電解質是從本質上提升鋰電池安全性的必由之路.
全固態鋰離子電池採用固態電解質替代傳統有機液態電解液, 有望從根本主解決電池安全性問題, 是電動汽車和規模化儲能理想的化學電源. 全固態鋰離子電池的結構包括正極, 電解質, 負極, 全部由固態材料組成.
與傳統電解液鋰離子電池相比具有的優勢
完全消除了電解液腐蝕和泄露的安全隱患, 熱穩定性更高. 由於液態電解質中含有易燃的有機溶液, 發生短路溫度驟升時容易發生燃燒和爆炸, 需要安裝抗溫升和防短路的安全裝置結構. 而固態電解質不可燃, 無腐蝕, 不揮發, 不存在漏液問題, 也克服了鋰枝晶現象, 因而全固態電池具有極高安全性.
不必封裝液體, 支援串列疊加排列和雙極結構, 提高生產效率; 由於固體電解質的固態特性, 可以疊加多個電極;
電化學穩定窗口寬 (可達5V以上) , 可以匹配高電壓電極材料; 固體電解質一般是單離子導體, 幾乎不存在副反應, 使用壽命更長; 相對較輕, 相比液態電池, 相同容量的電池組, 固態電解質電池相對較輕, 比如特斯拉-松下生產的三元鋰電池組質量達到900kg, 而固態電池創業公司SeeoInc生產的相同容量電池組的質量卻只有323kg, 接近前者的三分之一.
然而, 固態電池也有缺點. 固態電解質電導率總體偏低導致了其倍率性能整體偏低, 內阻較大, 充電速度慢, 且成本總體偏高, 現在的固態電池如果要和普通鋰離子電池在傳統市場上競爭, 並沒有太大的優勢. 因此, 發揮固態電池本身高安全性, 高溫穩定性, 可能達到的柔性等其它多功能特性, 與傳統鋰離子電池在差異化的市場中進行競爭, 可能是固態電池近期內比較有希望的市場突破方向.
聚合物固態電解質 (SPE)
組成: 由聚合物基體 (如聚酯, 聚酶和聚胺等) 和鋰鹽 (如LiClO 4, LiAsF 4, LiPF 6, LiBF 4等) 構成.
特點: 質量較輕, 黏彈性好, 機械加工性能優良等.
主要類別: 聚環氧乙烷 (PEO) , 聚丙烯腈 (PAN) , 聚偏氟乙烯 (PVDF) , 聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) , 聚環氧丙烷 (PPO) , 聚偏氯乙烯 (PVDC) 以及單離子聚合物電解質.
機理: 固態聚合物電解質中離子傳輸主要發生在無定形區, 而室溫條件下未經改性的PEO的結晶度高, 導致離子電導率較低, 嚴重影響大電流充放電能力. 研究者通過降低結晶度的方法提高PEO鏈段的運動能力, 從而提高體系的電導率, 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, Al 2O3, SiO 2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, 降低了其結晶度, 聚合物, 鋰鹽以及無機粒子之間產生的相互作用增加了鋰離子傳輸通道, 提高電導率和離子遷移數. 無機填料還可以起到吸附複合電解質中的痕量雜質 (如水分) , 提高力學性能的作用.
從整體來看, 固態電池現在的製備技術成熟度還有待加強, 能形成規模產能的企業有限, 技術規模化擴產需要克服的困難還有很多, 仍處於推廣發展期. 但可以預期的是, 隨著研發和工業技術的不斷髮展, 全固態電池中的科學和工藝上的問題會逐漸得到緩解, 在未來幾年, 固態電池產品的市場會迎來蓬勃發展的機遇.
