固态电池：电池革命即将到来.docx

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1、第13页共12页固态电池：电池革命即将到来docx目录目录11 .固态电池概念12 .固态电池替代传统液体电解质锂离子电池23 .锂电池的种类34 .全固态锂电池组成34.1. 薄膜负极34.2. 薄膜正极44.3. 3,固体电解质45 .全固态锂电池的优缺点55. 1.优点55. 1.1.概述56. 1.2.优势一57. 1.3.优势二68. 1.4.优势三69. 1.5.优势四61.2. 缺点76 .电动汽车成为固态电池发展的关键驱动力77 .全固态电池的界面问题98 .固态电池：让人欢喜让人忧98.1.喜：龙头企业争相布局108.2.忧：短期内难以实现量产119.结论11参考文献121.

2、态电池概念在固态离子学中，固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。固态电池一般功率密度较低，能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高，所以它是电动汽车很理想的电池O2020年固态电池技术研发有望取得突破性进展，在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂离子电池技术。2030年，锂离子电池将不再是电动汽车电池主流，但其在某些电子原件领域仍有一席之地。从1991年索尼公司将含有液态电解质的锂离子电池带入电子设备的应用至今，液态锂电池已经成为目前最为成熟、使用最广泛的技术路线之一。在2010年，丰田就曾推出过续航里程可超过1000KM的固态电池。而包括QuantumScape以及Sakti

3、3所做的努力也都是在试图用固态电池来取代传统的液态锂电池。加拿大Avestor公司也曾尝试过研发固态锂电池，最终2006年正式申请破产。Avestor公司使用一种高分子聚合物分离器，代替电池中的液体电解质，但一直没有解决安全问题，在北美地区发生过几起电池燃烧或者爆炸事件。2015年3月中旬，真空吸尘器的发明者、英国戴森公司(Dyson)创始人詹姆斯戴森将其首笔1500万美元的投资投向了固态电池公司Sakti3,后者是一家成立于2007年的电池创业公司。2018年1月消息，一项突破性的全新电池技术似乎终于接近现实。如果达到预期的话，新技术能满足手机上瘾者数天的使用需求，并且能使电动汽车的行驶里程

4、增加到500英里(约804公里)以上。这项新技术被称为固态电池技术，它用陶瓷材料取代了当今电池中的液态电解质。2018年1月，它与宝马公司结盟，后者已经承诺在未来10年内为其生产的每一款产品提供某种形式的电池组件，无论是传统的混合动力车、插电式电动车还是纯电动汽车(BEV)。传统的液态锂电池又被科学家们形象地称为“摇椅式电池”，摇椅的两端为电池的正负两极，中间为电解质(液态)。而锂离子就像优秀的运动员，在摇椅的两端来回奔跑，在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中，电池的充放电过程便完成了。固态电池的原理与之相同，只不过其电解质为固态，具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的

5、电流，进而提升电池容量。因此，同样的电量，固态电池体积将变得更小。不仅如此，固态电池中由于没有电解液，封存将会变得更加容易，在汽车等大型设备上使用时，也不需要再额外增加冷却管、电子控件等，不仅节约了成本，还能有效减轻重量。2.态电池替代传统液体电解质锂离子电池锂离子电池已成为许多应用的首选。锂离子电池可用于手机、笔记本电脑、电动工具、电动汽车、电动卡车和公共汽车，甚至电动飞机。传统的锂离子电池由负极、正极、隔离膜和液体电解质组成。锂离子电池中的易燃液体电解质会导致许多安全问题，如电解质泄漏、起火、爆炸等。顾名思义，在固态电池中，固态电解质取代了易燃液体电解质，从而提高了安全性，增强了电池性能。

6、开发固态电池是为了打造具有更高能量密度、快速充电能力、更低成本和更高安全性的新一代电池。固态电池的潜在应用领域涵盖众多行业，包括汽车、消费电子、工业、航空航天等。固态电池分为两种不同类别：一类是小容量固态电池，多家供应商已实现商用，主要应用于消费电子产品；另一类是大容量固态电池，应用于电动和混合动力汽车(EV/HEV),这是固态电池发展的主要推动力。3.锂电池的种类锂电池的分类方法比较多，可以按照正极材料类型划分，负极材料类型划分，电解液类型划分等等，我们常说的三元材料还是磷酸铁锂或者锦酸锂，就是按照正极材料划分的结果。在锂电池当前发展阶段上，锂电池性能上的差异主要表现在正极材料的差异上，因此

7、人们习惯于用正极材料的名称给一个技术路线命名。今后两年，高银三元将成为量产可能性最高的一种技术路线，而含银量的不同，又成了技术路线的名字，622、811,这是银钻铳在三元正极材料中的占比关系。这仍然是一种针对正极材料差异的提法。欧阳明高院士最近给出的技术路线预测中，高银以后，能量密度达到400Wh/kg的希望，很大程度上寄托在全固态电池的身上。固态电池，相对于传统锂电池的液态电解液而言的，电解质为导电率很高的纯固态物质，这是一种针对电解液形态的命名方式。与固态电池平行的另外两种技术路线应该可以叫做液态电解液锂电池和半固态电解液锂电池。液态电解液锂电池，传统称呼中三元、磷酸铁锂、钵酸锂都属于液态

8、电解液锂电池范围。半固态电解液，电解质是介于固态和液态之间的状态，现在常见的材料是聚合物电解质，在常温下为凝胶态。4.全态锂电池组成全固态锂电池，主要由薄膜负极，薄膜正极和固态电解质组成。薄膜物质可以有多种选择材质。4.1.薄膜负极薄膜负极材料主要分为锂金属及金属化合物，氮化物和氧化物。金属锂是最具代表性的薄膜负极材料。其理论比容量高达3600mAh/g,金属锂非常活泼，其熔点只有180,非常容易与水和氧发生反应，电池制造工艺中很多温度较高的焊接方式都不能直接应用在锂金属负极电芯的生产中。锂合金材料不但具有较高的理论比容量，还可以降低锂的电化学活性。常见的锂金属化合物有LixSi、LixAl、

9、“Pb等。但锂化合物在充放电过程中，体积变化明显，容易造成晶格结构的崩塌。氮化物负极材料可以分为锂金属氮化物，锂过渡金属氮化物和非金属氮化物。锂金属氮化物可逆容量高，嵌锂平台低，主要种类有CrN、Cu3N.Ge3N等。锂过渡金属氮化物有Li3.xCoxNQFeNz等；非锂金属氮化物有SiN,VN等。氮化物做负极的主要特点是高的离子电导率和可逆容量。氧化物负极材料可以分为金属氧化物和金属基复合氧化物。金属氧化物负极有TiO2.AI2O3、In203SiOx等；金属基复合物氧化物有四P5。12、LixMoO2LixWO2LiNiV04SnAOy等；SiOx和SnAlxOy等容量虽然高，但衰减也比较

10、明显。LixMo02循环性好，但容量比较低。具有尖晶石结构的Li/is。被称为“零应材料”，是稳定性极好的一种负极材料。4.2.薄膜正极大多数能够膜化的高电位材料均可用于固态化锂电薄膜正极材料。薄膜正极材料主要分为金属氧化物，金属硫化物和钢氧化物。适合做正极材料的金属化合物，多数已经在传统锂电池领域得到了应用，比如LiMnzOcLiCoO2、LiCol/3Nil/3Mnl/302LiNi02LiFePOq等。金属硫化物被用作锂电池正极材料，包括TiSz、FeS2SnS2和CuS2等。其中，TiS2薄膜材料的能量密度达到了450WhkgT,在嵌入和脱嵌锂过程中拥有接近100%的库伦效率。车凡氧化

11、物做正极材料，主要是指V2O5，无定形V205材料循环稳定性好，可逆容量高，是一种比较有研究潜力的材料。4.3.固体电解质固体电解质，以固态形式在正负极之间传递电荷，要求固态电解质有高的离子电导率和低的电子电导率。固态化电解质大致可以分为无机固态电解质、固态聚合物电解质和无机有机复合固态电解质。无机固态电解质是典型的全固态电解质，不含液体成份，热稳定性好，从根本上解决了锂电池的安全问题。加工性好，厚度可以达到纳米尺寸，主要用于全固态薄膜电池。无机固态电解质，从构型不同的角度出发，又包括NASICON结构，LISICON结构和ABO3的钙钛矿结构。锂金属化合物比钠金属化合物的电导率大，这是构型中

12、，锂离子所处的空间位置决定的。钙钛矿结构的化合物主要是利用A位的空缺来增加锂离子的活动空间来提高锂离子电导率。玻璃态的无机固态电解质主要有氧化物（例如，P205B2O3、Si（）2、EO等）、硫化物（U2S、SiS2等）、硫氧化物（LiSSiS2中掺入少量的Li3Po4、LiAl02LizSiO3等）和氮氧化物（LiPON、LiSiPON、LiSON）等。其中硫化物的热稳定性比较差，加入适当的氧化物，可以提高固态电解质的稳定性和离子导电率。无机固态电解质离子电导率较高，电子电导率较低，电化学稳定窗口宽，结构稳定，易于成膜，工艺简单，具有广阔的应用前景。固态化聚合物电解质，由锂盐和聚合物构成，大

13、致可以分为全固态类和凝胶类。全固态类是由锂盐和高分子基质络合而成的。锂盐例如：LiPF6、LiBF4LiCl04LiAsF$等。高分子基质比如：PEO、PAN、PVDF、PVDC和PMMA等。凝胶类是由锂盐与液体塑化剂，溶剂等与聚合物基质形成稳定凝胶的电解质材料。电化学稳定性良好，安全性较好，工艺简单。现在我们常说的聚合物锂电池，拥有加高的能量密度和较好的安全性，其电解质就是凝胶类聚合物作为电解质的产品。无机有机复合固态电解质，是指在聚合物的固态电解质当中加入无机填料所形成的一类电解质。一定量活性无机填料的加入可以增加锂离子扩散通道，离子电导率明显提高。全固体电解质的研究主要集中在开发高电导率

14、无机电解质和有机无机复合电解质。硫化物固体电解质具有较高的室温离子电导率，但是其环境稳定性差。氧化物固体电解质化学稳定性好，但室温离子电导率较低。有机-无机复合电解质兼具有机物良好的柔性和无机物高的机械强度，但是由于聚合物基体的电导率低，且低温环境下易结晶，因此复合电解质的室温电导率偏低。5. 全固态锂电池的优缺点5.1 .优点6. 1.1.概述1）安全性好，电解质无腐蚀，不可燃，也不存在漏液问题；2）高温稳定性好，可以在60120之间工作；3）有望获得更高的能量密度。固态电解液，力学性能好，有效抑制锂单质直径生长造成的短路问题，使得可以选用理论容量更高的电极材料，比如锂单质做负极；固态电解质

15、的电压窗口更宽，可以使用电位更高的材料做正极而不惜担心电解质分解问题；4）固态电解质支持电芯薄膜化设计，最小可以达到几个纳米，拓宽了锂电池的应用范围，并且使得电池自带柔性成为可能。5）可以选用电阻较大、充放电过程体积变化比较大的材料做正负极，薄膜化的正负极材料，只要成膜性能好，即使材料电阻偏大，只要足够薄以后，依然不会给电池特性带来明显影响。7. 1.2.优势一轻一一能量密度高。使用了全固态电解质后，锂离子电池的适用材料体系也会发生改变，其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂来做负极，这样可以明显减轻负极材料的用量，使得整个电池的能量密度有明显提高。8. 1.3.优势二薄体积小。传统锂离子电池中，需要使用隔膜和电解液，它们加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代（主要有有机和无机陶瓷材料两个体系），正负极之间的距离（传统上由隔膜电解液填充，现在由固态电解质填充）可以缩短到甚至只有几到十几