導語：在張衛(wèi)新看來，針對新型化學儲能技術領域對高安全性、長壽命鋰二次電池的發(fā)展需求，發(fā)展大容量全固態(tài)鋰電池前沿技術刻不容緩。

合肥工業(yè)大學化學與化工學院副院長張衛(wèi)新

傳統(tǒng)鋰離子電池系統(tǒng)采用液體電解質，存在著易泄露、易腐蝕、安全性差與可靠性低等問題，同時也極大限制了鋰電池向高能量密度的發(fā)展，不能完全滿足規(guī)模化工業(yè)儲能在安全性方面的要求。

“全固態(tài)鋰離子電池使用固態(tài)電解質，不易燃、無腐蝕、不揮發(fā)泄露，具備固有安全性與更長的使用壽命。”合肥工業(yè)大學化學與化工學院副院長張衛(wèi)新表示，“合理的規(guī)劃布局將有利于我國抓住固態(tài)電池迅猛發(fā)展的機遇，促使傳統(tǒng)電池尤其是動力電池企業(yè)加速轉型，在新能源汽車產(chǎn)業(yè)領域實現(xiàn)突破。”

2月27日，在固態(tài)電池技術、智能裝備與市場應用研討會上，張衛(wèi)新發(fā)表了題為《全固態(tài)鋰離子電池的研發(fā)進展》的主題演講，分享了全固態(tài)鋰離子電池的研發(fā)背景、工作原理、研發(fā)進展、產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)化前景等。

“近幾年鋰離子電池燃燒爆炸的新聞層出不窮，安全性問題急需關注。”張衛(wèi)新認為，為了從根本上解決鋰電池的安全性問題，提高其能量密度，將可燃易爆的有機電解液全部替換為本身不易燃、熱穩(wěn)定性好的固體電解質是非常有效的解決方案。

此外，按照《中國制造2025》確定的技術目標，2020年鋰電池能量密度達到300W·h/kg，2025年能量密度達到400W·h/kg，2030年能量密度達到500W·h/kg。基于高鎳三元+硅碳負極材料，現(xiàn)有體系的鋰電池能量密度很難突破300W·h/kg。

張衛(wèi)新表示，電解質材料是全固態(tài)鋰離子電池技術的核心，電解質材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項性能參數(shù)，如功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。相對于傳統(tǒng)的鋰離子電池，全固態(tài)鋰離子電池最明顯的變化是其電解質由原來的電解液變?yōu)榱斯虘B(tài)的電解質，使得電池體積大大降低，能量密度也得到提升。

在張衛(wèi)新看來，針對新型化學儲能技術領域對高安全性、長壽命鋰二次電池的發(fā)展需求，發(fā)展大容量全固態(tài)鋰電池前沿技術刻不容緩。

目前，固態(tài)鋰電池由于其優(yōu)異的能量密度和安全性，吸引法國Bollore、美國Sakti3、豐田、寧德時代、清陶、國軒高科、珈偉股份、贛鋒鋰業(yè)、北京衛(wèi)藍等國內(nèi)外能源廠商紛紛布局。

關于固態(tài)電解質的研究進展，張衛(wèi)新介紹，固態(tài)電解質可分為無機固態(tài)電解質、聚合物固態(tài)電解質以及其他固態(tài)電解質。

聚合物固態(tài)電解質主要分為PEO（聚環(huán)氧乙烷）基體系、聚碳酸酯基體系、聚硅氧烷基體系與聚合物鋰單離子導體基體系，其優(yōu)點是高溫性能好，并率先實現(xiàn)商業(yè)化，但工作溫度較高，需要專門的熱管理系統(tǒng)，成本較高，負極表面有磷酸鹽保護層（成本極高），電池系統(tǒng)能量密度沒有明顯的優(yōu)勢（～130W·h/kg），功率密度較低。研究方向主要為將PEO與其他聚合物共混、共聚或交聯(lián)，或添加無機顆粒形成有機—無機雜化體系，提升核心能力。法國Bollore旗下的BatScap研發(fā)的聚合物固態(tài)電池已投入商業(yè)化使用，規(guī)格是30kW·h。目前這種Bluecar已有近4000輛。

無機固態(tài)電解質包括氧化物電解質和硫化物電解質。

氧化物電解質主要分為晶態(tài)（LISCON結構、NASICON結構、鈣鈦礦結構與石榴石結構）與非晶態(tài)，其優(yōu)點是循環(huán)性能良好，化學穩(wěn)定性高，適用于薄膜柔性結構，缺點是低室溫電導率。研究方向主要為元素替換與異價元素摻雜來提升電導率。

硫化物電解質主要分為二元體系（Li2S和P2S5）與三元體系（Li2S、P2S5與MS2，M=Si、Ge、Sn），其優(yōu)點是電導率最高，是未來主要方向，但制備與使用環(huán)境要求苛刻，對金屬鋰與氧化物正極均不穩(wěn)定。研究方向主要為降低合成成本，引入多元素摻雜。

但是，目前全固態(tài)鋰離子電池也面臨著挑戰(zhàn)，包括離子電導率低、界面阻抗大、制備成本高等。

電解質由液態(tài)換成固體之后，鋰電池體系由電極材料—電解液的固液界面向電極材料—固態(tài)電解質的固固界面轉化，固固之間無潤濕性，界面接觸電阻嚴重影響了離子的傳輸，造成全固態(tài)鋰離子電池內(nèi)阻急劇增大、電池循環(huán)性能變差、倍率性能差。

張衛(wèi)新表示，目前主要解決方案有：金屬鋰保護、聚合物電解質改性以及鋰合金、粉末鋰電極、泡沫鋰電極等。

固態(tài)鋰電池正極材料一般采用復合電極，除了電極活性物質外還包括固態(tài)電解質和導電劑，在電極中起到傳輸離子和電子的作用。聚合物的離子傳輸是通過無定形區(qū)域的鏈段運動實現(xiàn)的。為了提高鏈段的活動性，一般通過加入填料或與其他聚合物單體共聚合等方式，以提升材料的離子導電率。

負極材料目前主要集中在金屬鋰負極材料、碳族負極材料和氧化物負極材料三大類，其中金屬鋰負極材料因其高容量和低電位的優(yōu)點成為全固態(tài)鋰電池最主要的負極材料之一。

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