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[固态铝电解电容电解质]百篇科普系列(115)— 固态电池的原理及其进展

作者:安尼      发布时间:2021-04-17      浏览量:0
百篇科普系列(115)固态电池的原理及

百篇科普系列(115)

固态电池的原理及其进展

徐长发,华中科技大学,2020.10.25.

锂离子电池、钠离子电池采用了有机溶剂电解液,电解液可能泄漏,有机溶剂可能在高温下蒸发,可能造成燃爆事故。

双离子电池采用了离子液体电解质,使用安全,将来一定会替代普通的锂电池和钠电池。

最新研发出来的 固态电池, 其电极和电解质都是固态的,它的能量密度较高,最突出的特点是“使用安全”、“体积小重量轻”、“低成本”。所以,固态电池是电动汽车很理想的动力电池。

一.固态锂离子电池的结构

固态锂电池从宏观方面看,也是由固态正电极材料、固态电解质、固态负电极材料构成的,其工作原理和液态锂电池类似。

固态电池正电极材料是活性物质,其作用是大量地集合锂正离子;在化学电势作用下正离子失去电子,电子由外电路流向负电极;失去电子的锂离子通过固态电解质游离向负电极;固态负电极材料的作用是大量地嵌入失去电子的锂离子,这些失去电子的负离子在负电极与电子结合之后的正离子又向正电极游离;固态电解质的作用是让锂离子在正负电极之间顺利地传导。简单地说,固态锂电池也是仅仅依靠锂离子在正负极之间的移动来实现充放电过程的。

上图是目前固态锂电池的基本结构,其中的缓冲层是为了让固态电极和固态电解质能够有效地相容结合所使用的;隔离层是为了防止内部的正负极短路而设置的,如果技术再进步,就可以去掉隔离层。简单地说,固态锂电池和液态锂电池在宏观结构方面是一样的,根本的区别在于电解质是固态的。

上图所示的含有隔离层的称为 准固态电池 ,没有隔离层的称为 全固态电池。 目前研发生产的是准固态电池,文中简称为固态电池。

当然, 固态锂电池 与液态锂电池比较,其 优势 在于:

①完全消除了电解液腐蚀和泄露的安全隐患,热稳定性更高,不会发生燃爆问题;

②电池单体的电压可达5V以上 ,能量密度也较高,可以匹配高电压电极材料;

③固体电解质是单离子导体,不存在副反应,电池使用寿命更长。

④电池由固体功能块拼装,不仅能够减轻重量而且能够降低生产成本。

也正是固态电解质的原因, 固态锂电池在材料选择和加工方面都产生了新的要求:

①“固态电解质”要求能够在室温下具有高电导率和电化学稳定性;

②正负电极材料要求能够满足高能量密度,材料的热稳定性好;

③在固态电极和固态电解质的界面,要求有良好的电导率和相容性。

二.固态电解质是固态锂电池的关键

这里所说的是 固态电解质, 它要求能够离解锂盐,顺利传导锂离子,还要对正负极材料是相容的。目前比较成熟的有3类:一是聚合物固态电解质,二是氧化物固态电解质,三是硫化物固态电解质。

1.聚合物固态电解质

聚合物固态电解质是由有机的聚合物基体和锂盐构成的,它具有质量较轻、黏弹性好、机械加工性能优良等特点。

常用的锂盐有: LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等。

常用的聚合物基体有:聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚环氧丙烷(PPO)、聚偏氯乙烯 (PVDC)等。

这些聚合物基体的优点是能够很好地解离锂盐,缺点是离子电导率较低,所以要做改性处理。最为简单有效的改性方法是掺杂 MgO 、Al2O3、SiO2等金属氧化物纳米颗粒,这样就可以增加锂离子传输通道,提高电导率。

再用这种掺杂聚合物和锂盐一起做成多孔的“聚合物固态电解质”。

2.氧化物固态电解质

按照分子结构,可以将氧化物固态电解质分为晶态和非晶态两类。

晶态氧化物电解质, 例如LISICON,有晶格结构,在室温下化学稳定性高,有利于全固态电池的规模化生产。

非晶态氧化物电解质,例如LiPON, 分子结构像玻璃一样,无晶格结构,室温离子导电率高,电压高,热稳定性较好,已经得到了商业化应用。

3.硫化物非晶态固体电解质

一般采用“非晶态硫化物固体电解质”及“硫化物陶瓷固体电解质”。

对于非晶态硫化物固体电解质,例如 Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3,室温离子电导率高,同时具有热稳定高、安全性能好、电化学稳定窗口宽(达5V以上)的特点,在高功率以及高、低温固态电池方面优势突出,是极具潜力的固态电池电解质材料。

4.固态电解质的性能表现

固态电解质在室温条件下要求具有良好的离子电导率,目前所采用的简单有效的方法是元素替换和元素掺杂。

电解质是固态的,电极材料也是固态的,对于两者界面,要求材料相容,要求有效地传导离子,降低电池内部阻抗,目前采用的是增加“过渡层材料”。

三类固体电解质在实际使用中的性能表现,由高到低列表如下:

三.固态电池的电极材料

1.正电极材料

固态电池正电极材料要求离子活性强,为了让正电极