全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢_全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢和劣勢

　　據外媒報道全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢，豐田正在大力研發(fā)固態(tài)電池，據稱將于本世紀20年代初期實現(xiàn)該類電池全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢的商業(yè)化運營。豐田的固態(tài)電池技術全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢：采用固態(tài)電解質，替代電池正、負極間的液態(tài)電解質或凝膠電解質（gel electrolyte）。

　　盡管從理論上講，該技術擁有幾大優(yōu)勢，如：能量密度較高、充電速度較快、使用周期更長，但若采用如今電池研發(fā)中的熱門材料——鋰金屬作為其電極材料，將不太可能實現(xiàn)上述性能優(yōu)勢。

　　豐田欲實現(xiàn)固態(tài)電池商業(yè)化

　　據豐田一位女發(fā)言人證實，公司旨在本世紀20年代初期實現(xiàn)固態(tài)電池的商業(yè)化運作。此外，該名女發(fā)言人還向福布斯透露，豐田認為，在新一代電池中，最可能實現(xiàn)批量應用的是固態(tài)鋰電池，公司旨在為旗下電動車批量配置該類電池。

　　在美國，豐田的官方回應就有點諱莫如深全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢了。據豐田美國產品溝通部高級經理Craig Taguchi證實，公司正致力于研發(fā)固態(tài)電池，涉及所有固態(tài)電池的產品工程設計，預計在本世紀20年代初期將實現(xiàn)產品的商業(yè)化。但談到具體的生產計劃，豐田卻未予以置評。

　　特斯拉與豐田的相愛相殺

　　但也有許多業(yè)內人士對豐田的發(fā)言內容持懷疑態(tài)度，他們不認為豐田能量產并聯(lián)固態(tài)蓄電池組（multicell solid-state battery pack），其中就包括特斯拉的CEO埃隆·馬斯克，他在本月初季度財報電話會議中被媒體問及對此事的看法。

　　馬斯克有些惱怒地回應道：“特斯拉是全球最大的鋰離子電池買家，全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢你知道最先獲得鋰離子電池的人是誰嗎？是特斯拉，我們是其最大的客戶?！?/p>

　　豐田自2010年起就成為特斯拉的股東，兩家公司還一度開展過合作，但豐田于今年6月將其持有的特斯拉股份全部出售，讓兩家公司從早前的合作伙伴變?yōu)榱巳缃竦母偁帉κ?。若未來豐田向市場推出一款全新電動車，那么兩家公司將形成直接的競爭。

　　特斯拉首席執(zhí)行官JB Straubel則回應道：“公司對固態(tài)電池技術保持謹慎樂觀的態(tài)度，目前特斯拉已測試了大量的單節(jié)固態(tài)電池樣品，但據其預計，這并不會對特斯拉的電池戰(zhàn)略造成改變?！?/p>

　　固態(tài)電池上市時間不明朗

　　全電池咨詢公司（Total Battery Consulting）的總裁兼電動車電池市場資深專業(yè)人士Menahem Anderman表示：“目前，車企的固態(tài)電池技術尚處于研究階段，尚無法制定明確的商業(yè)化時間表?！盇nderman強調：“由于固態(tài)電池不太可能選用鋰離子電池所用的各項化學材料，預計其售價將非常高，且生產難度也更大?！?/p>

　　全固態(tài)鋰電池介紹及電解質深度解析

　　我國通過政策的引導和扶持，已經成為全球最大的新能源汽車市場?；谡叩贡坪蛣恿﹄姵丶夹g本身的進步，電動車用單體電池的能量密度將會于2020年達到300wh/kg。磷酸鐵鋰電池終將被三元鋰電池替代，而具有高理論能量密度和高安全性的固態(tài)電池能否成為下一代的動力電池呢?

　　目前，我國新能源汽車廠商選用的電池體系主要有三元材料/石墨體系，磷酸鐵鋰/石墨體系和三元/鈦酸鋰體系電池三種。選用三元電池的代表車企有吉利、長安、北汽、上汽、江淮等公司，選用磷酸鐵鋰電池的代表車企是比亞迪，三元/鈦酸鋰電池的車企則是珠海銀隆。

　　2017年3月份，國家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進汽車動力電池發(fā)展行動方案》，指出到2020年，要求新型鋰離子動力申池單體比能量超過300Wh/Kg；系統(tǒng)比能量力爭達到260Wh/Kg。

　　根據三種電池的原材料本身性質進行判斷，單體比能量超過300Wh/Kg對磷酸鐵鋰和鈦酸鋰電池來說是無法達到的，目前只有三元材料能夠達到這樣的要求。以上是三種鋰電池材料體系的比較，三元電池雖以能量密度超越其他電池，但是其采用的是液態(tài)電解質，存在較大的安全隱患。業(yè)內對于固態(tài)電解質能夠解決鋰電池安全問題保持一致的看法。

　　固態(tài)電池并不是一個新穎的概念，早在2012年蘋果公司就已經對固態(tài)電池開始了專利布局。固態(tài)電池是采用固態(tài)電極和固態(tài)電解質的電池。固態(tài)電池的正極材料與液態(tài)電解質電池沒有太大差別，負極材料主要選用鋰金屬、鋰合金或石墨烯等。這么多有利的因素，組合在一起就構成了固態(tài)鋰離子電池。目前固態(tài)鋰電池可以分為無機固態(tài)電解質電池和聚合物固態(tài)鋰電池兩種。固態(tài)鋰電池的發(fā)展主要還是依賴于固體電解質的材料的發(fā)展。

　　一、固態(tài)電解質材料

　　對于固態(tài)電池來說，選用合適的固態(tài)電解質材料是電池設計的核心內容，一般對電解質的性能要求有以下：

　　(1)具有高的室溫電導率;

　　(2)電子無法通過，鋰離子能夠通過；

　　(3)電化學窗口寬；

　　(4)與電極材料相容性好；

　　(5)熱穩(wěn)定性好、耐潮濕環(huán)境、機械性能優(yōu)良；

　　(6)原料易得，成本較低，合成方法簡單。

　　1.聚合物電解質

　　在有機聚合物基鋰離子導體中，鋰離子以鋰鹽的形式“溶于”聚合物基體。電導率是表征電解質優(yōu)劣的關鍵參數(shù)，而傳輸速率主要受到與基體相互作用及鏈段活動能力的影響。提高鏈段的活動性有利于提高鋰離子電導率。

　　目前，研究較多的聚合物固體電解質是PEO（聚環(huán)氧乙烷）及其衍生物絡合鋰鹽類聚合物電解質。PEO類聚合物在較高的溫度下也有很好的離子電導率，且加工性能好。但PEO類聚合物電解質也存在室溫離子電導率低、與金屬鋰負極的相容性差等問題。

　　2.無機固態(tài)電解質

　　無機固態(tài)電解質材料中，早期開發(fā)的鹵化物電解質電導率較低。這些早期開發(fā)的材料還存在化學性質不穩(wěn)定、制備困難等問題。

　　硫化物電解質和氧化物電解質都包含有玻璃、陶瓷及玻璃-陶瓷（微晶玻璃）3種不同結晶狀態(tài)的材料?？偟膩碚f，由于S相對于O對Li的束縛作用較弱，有利于Li+的遷移，因此硫化物的電導率往往顯著高于同種類型的氧化物。

　　氧化物電解質對空氣和熱穩(wěn)定性高，原料成本低，更易實現(xiàn)規(guī)?；苽?。在氧化物電解質中，非晶（玻璃）態(tài)氧化物電解質的室溫電導率較低，且對空氣中的水汽較敏感，制備往往需要高溫淬冷，難以應用于實際電池。

　　在氧化物中，鋰離子在尺寸大得多的O2-構成的骨架結構間隙進行傳導，減弱Li-O相互作用、實現(xiàn)鋰離子的三維傳輸及優(yōu)化傳輸通道中鋰離子與空位濃度的比例均有利于提高鋰離子的電導率。基于這些理念，一些具有復雜結構的氧化物鋰離子導體材料相繼出現(xiàn)，其中具有代表性的包括石榴石型結構體系、鈣鈦礦結構體系、鈉快離子導體結構體系。然而，這些材料中，只有石榴石型結構體系的材料對金屬鋰穩(wěn)定。另兩種結構體系中電導率較高的材料均含有可被金屬鋰還原的Ti、Ge等元素。此外，石榴石型結構體系材料對空氣有較好的穩(wěn)定性，原料成本低，燒結體具有較高的機械強度，因此具備作為理想固態(tài)電解質廣泛應用于全固態(tài)鋰電池的潛力。

　　二、待解決的問題

　　將固態(tài)電解質引入鋰電池是為了突破目前有機電解液存在的種種限制，提高電池的能量密度、功率密度、工作溫度范圍和安全性。然而，真正實現(xiàn)這些目標，仍需首先解決現(xiàn)有電解質材料本身以及與電極界面存在的一些問題。

　　例如，提高能量密度需要使用低電位、大容量的負極材料，以及高電位、大容量的正極材料，這樣的情況下，存在高電壓的情況，聚合物和硫化物有限的電化學窗口往往難以直接應用的問題。提高功率密度則需要提高電解質電導率，這依舊是個很大的難題。

　　三、總結

　　全固態(tài)鋰電池具有極高的安全性，其固態(tài)電解質不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。全固態(tài)鋰電池當前能量密度約400Wh/Kg，預估最大潛力值達900Wh/Kg。但是固態(tài)電池在提升能量密度、功率密度等方面還存在一些待解決的問題，需要從固態(tài)電解質、正負極材料上著手，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。

　　來源：鋰電派、網絡資料