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无论采用上述哪一类固态电解质,都无法回避传质这一关键问题。尤其是离子传导,这里面既包括电解质本体的离子传导,电极内部的离子传导,还有电极与电解质界面上的离子传导,这三部分对于全固态锂金属电池的性能发挥都十分关键。
聚合物固态锂金属电池
聚合物固态锂金属电池的开发主要以Bolloré、宁德时代和东北师大为代表。目前量产聚合物固态电池采用的是PEO类聚合物电解质。PEO在高温下离子电导率高,容易成膜,易于加工,能与正极复合形成连续的离子导电通道,且对金属锂具有较高的稳定性,因而也成为最先实现产业化的一个技术方向。
宁德时代针对这个方向也进行了一些研究,主要是对导电性、加工性能各方面进行了一些改进。基于上述改进设计制作了容量为325毫安时的聚合物电芯,表现出较好的高温循环性能。同时也验证了聚合物基固态锂金属电池在安全性能方面的优异表现,不仅在穿钉、剪切、弯折等滥用条件下不冒烟不起火,而且还能继续放电。
然而聚合物固态电解质还存在许多缺点,其中最显著的缺点是室温离子电导率很低。PEO基电解质工作温度一般在60~85℃,所以这类电池系统中都需要一个加热元件,从而降低了整体能量密度。此外,为满足启动加速时的高功率输出要求,还需要匹配一个超级电容器或者锂离子电池。因此,其pack level的能量密度仅有100瓦时每公斤,和传统液态电解质锂电池体系相比没有优势。
聚合物基电解质的另一个缺点是电化学窗口较窄,PEO的氧化电位在3.8V,除了LFP,钴酸锂、NCA、尖晶石氧化物等高能量密度正极难以与之匹配。因此,聚合物基锂金属电池很难超过300瓦时每公斤的能量密度,这是基于聚合物体系的另外一个局限。未来需要重点研发宽电化学稳定窗口,同时兼具高电导率的聚合物电解质。
氧化物锂金属固态电池
氧化物锂金属固态电池的开发主要以美国橡树岭国家实验室,Quantum Scape,Sakti3以及中科院等为代表,目前已经小批量生产的固态电池主要是以无定形LiPON为电解质的薄膜电池。
LiPON的特点是易于大面积制备薄膜,能够耐受高电压,化学、电化学、热稳定性较好,从薄膜电池循环数据可见,当阴极厚度控制在0.05微米时,循环性能非常优异,几万次循环后没有明显的容量衰减,而当厚度增加到2微米左右时,循环性能明显恶化。可以设想,如果要做到几十甚至上百安时级的大容量动力电池,界面和传质问题将更为凸显,其难度和挑战可见一斑。Sakti3声称可以通过单元叠加串联的方式,将mWh级别的薄膜电池组装成kWh级别的EV用电池。
氧化物基电解质的主要缺点是室温离子电导率比较低,从而导致固态电池较差的倍率性能和较低的功率密度。另外最主要的是界面问题,由于氧化物电解质颗粒硬度较高,如果采用浆料涂覆的方法,当涂覆厚度较大时,电解质与正极之间界面接触较差;如果采用气相沉积的方式制备电解质薄膜,则面临成本和规模化生产效率的双重挑战。因此从目前来看,单纯的氧化物基固态电池的开发难度特别大,还处于非常早期的研究阶段。
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