【SMM分析】固态电池三大技术路线详解

来源:SMM

目前固态电池按电解质的不同,可分为三大技术路线,即聚合物,氧化物与硫化物。聚合物。综合而言,硫化物路线受困于其本身制作工艺及成本问题及严重的安全隐患,而聚合物路线存在充电倍率较差,同时工作温区较为苛刻等因素,氧化物或成为未来固态电池技术主流。

SMM1月31日讯:近年来,随着我国新能源汽车产业链的逐渐完善,动力电池行业的企业也纷纷完成早期的技术积累,走出了一批以宁德时代,比亚迪等为代表的兼具技术实力与资金规模的龙头企业,在2019年动力电池白名单取消之后正式参与到了与LG化学,松下等各国顶尖企业的全球角力之中。

而锂离子电池因其相对于铅酸等其他类型电池而言具备重量轻,比能量高,寿命长等特点逐渐成为新能源汽车领域主要电池类型。据资料显示,自2008年锂离子动力电池开始应用于新能源汽车以来,目前的动力电池的实际能量密度相较于最初的100WH/KG已经足足提高了2.5倍有余,但另一方面,在当前电池技术不断提升的同时,也在逐渐逼近传统正负极材料,隔膜,电解液动力电池体系理论的能量密度上限,难以再有提升,而固态电池技术则为业界在该领域的探索提供了新的可能性。

固态电池,即全固态锂二次电池。在传统的液态锂离子动力电池中体系中,正负极所用的材料在很大程度上决定了电池的本身的带电量,即能量密度,而电解液与隔膜是作为锂离子的传输媒介存在于电池结构中。而在固态电池的结构中,因其固态电解质既可传导锂离子也可起到隔膜的作用,因此在固态电池中,电解液,电解质盐 隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯等材料都可以被省略。同时,因其固态电解质总体而言结构较为稳定,加上其电解质不易泄漏,易封装及工作范围宽等特性,所以安全性和操作性也得到了显著提升。

目前,市场上主流的固态电池按电解质的不同可分为三种类型:即聚合物,硫化物与氧化物。其中,聚合物电解质属于有机电解质,而后两种属于无机电解质。

聚合物固态:聚合物方面目前主流的路线是聚POE及其衍生材料,这种材料具有较好的高温性能,但相对的,PEO基电解质虽然在60度以上的高温下离子电导率有所提升,但此时因聚合物呈现融化状态,其力学性能有所降低。而在温室时,聚合物具有较高的机械强度,但其电导率却不高。因此找到聚合物电导率与机械强度之间的平衡点是目前业内急需解决的问题之一。此外,聚合物普遍电化学窗口窄,电位差太大时(>4V)电解质易被电解,这使得聚合物的性能上限较低。而其他类型的聚合物电解质,如PVCA化学窗口较为稳定(4.5V),同时离子电导率也相对适宜,但VC过于高昂的价格,使得其也难以大规模商用。

硫化物固态:硫化物电解质固态电池的综合性能是目前三种电池中最为优秀的,其质地较为柔软,同时具有甚至比传统液态电解质更高的离子电导率,但硫化物电解质极易与空气中的水,氧气等发生反应产生H2C等有毒气体,无形中提高了其制造的难度,大幅抬高制造成本,因此在一定程度上限制了其大规模商用。此外,硫化物电解质存在正负极之间的界面接触,及接触稳定性方面的问题,虽然业内设计出了双电层电解质技术使其得到了一定程度的改善,但仍无法完全消除。

氧化物固态:目前氧化物型电解质最具前景的为GARNET型,LISICON型,NASICON型三种,其中GARNET 型电解质具有较高的室温离子电导率(10-3S/cm)。不过GARNET型电解质其金属锂浸润性较差,当电池在不断的充放电循环过程中沉积不均匀,易产生锂枝晶,存在一定的安全隐患。不过研究表明,通过插入聚合物或者凝胶电解质作为缓冲层,或溅射能与锂形成合金层的物质可以有效地解决这个问题。LISICON 型材料导电率高,但对 H2O 及 CO2敏感,因此在空气中不稳定,对金属锂的稳定性也较差。目前可以通过掺杂锆防止分相的出现,大幅提高其稳定性。而NASICON相对而言具有较好的性能,具备结构较为稳定,合成简单,电导率强等有点,但该电解质原料于含锗和钛等贵金属,使其大规模应用同样存在一定的难度。

资料来源:《全固态锂电池技术的研究现状与展望》许晓雄等,天风证券,《固态金属锂电池最新进展评述》段惠等

综合而言,在目前主流的固态电池体系中,硫化物固态电池由于其本身制作工艺及成本问题,生产环境要求极为苛刻,同时其易产生H2C等有害气体,有严重的安全隐患,因此虽然性能最佳,但工业化难度较大,而聚合物方面则存在充电倍率较差,能量密度极低,同时只有在60度以上才能正常工作的问题,因此同样难以作为动力电池使用。而氧化物固态电池较为综合的性能与成本,相对较低的技术难度,就目前来看无疑更可能成为未来固态电池的主要技术路线。

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