固態(tài)電解質(zhì)材料技術(shù)路徑

電解質(zhì)材料的性能很大程度上決定了電池的功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能及使用壽命。常見的固態(tài)電解質(zhì)可分為聚合物類電解質(zhì)和無機(jī)物電解質(zhì)兩大類。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)

由于聚氧乙烯(PEO)相比于其它聚合物基體具有更強(qiáng)的解離鋰鹽的能力,且對鋰穩(wěn)定，因此目前研究熱點(diǎn)以PEO及其衍生物為主。

聚合物電解質(zhì)潤濕電極能力差,活性材料脫嵌鋰必須通過極片傳輸?shù)诫姌O表面進(jìn)行,使得電池工作過程中極片內(nèi)活性物質(zhì)的容量不能完全發(fā)揮，將電解質(zhì)材料混入電極材料中或者替代粘結(jié)劑,制備成復(fù)合電極材料,填補(bǔ)電極顆粒間的空隙,模擬電解液潤濕過程,是提高極片中鋰離子遷移能力及電池容量發(fā)揮的一個(gè)有效方法。PEO基電解質(zhì)由于結(jié)晶度高，導(dǎo)致室溫下導(dǎo)電率低，因此工作溫度通常需要維持在60～85℃，電池系統(tǒng)需裝配專門的熱管理系統(tǒng)。此外，PEO的電化學(xué)窗口狹窄，難以與高能量密度正極匹配，因此需對其改性。

目前成熟度最高的BOLLORE的PEO基電解質(zhì)固態(tài)電池已經(jīng)商用，于英國少量投放城市租賃車，其工作溫度要求60~80℃，正極采用LFP和LixV2O8，但目前Pack能量密度僅為100Wh/kg。

無機(jī)固體電解質(zhì)

無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)主要包括氧化物和硫化物。氧化物固體電解質(zhì)按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類，其中研究熱點(diǎn)是用在薄膜電池中的LiPON型電解質(zhì)。

以LiPON為電解質(zhì)材料制備的氧化物電池倍率性能及循環(huán)性能都比較優(yōu)異，但正負(fù)極材料必須采用磁控濺射、脈沖激光沉積、化學(xué)氣相沉積等方法制成薄膜電極，同時(shí)不能像普通鋰離子電池工藝一樣加入導(dǎo)電材料,且電解質(zhì)不能浸潤電極,使得電極的鋰離子及電子遷移能力較差，只有正負(fù)極層都做到超薄,電池電阻才能降低。因此,無機(jī)LiPON薄膜固態(tài)鋰電池的單個(gè)電池容量不高，不適合用于制備Ah級動(dòng)力電池領(lǐng)域。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)由氧化物固態(tài)電解質(zhì)衍生而來，由于硫元素的電負(fù)性比氧元素小，對鋰離子的束縛較小，有利于得到更多自由移動(dòng)的鋰離子。同時(shí)，硫元素半徑大于氧元素，可形成較大的鋰離子通道從而提升導(dǎo)電率。目前三星、松下、日立造船+本田、Sony都在進(jìn)行硫化物無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)。但空氣敏感性、易氧化、高界面電阻、高成本帶來的挑戰(zhàn)并不容易在短期內(nèi)徹底解決，因此距離硫化物電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池最終獲得應(yīng)用仍有很遠(yuǎn)距離。

總之，無機(jī)固體電解質(zhì)發(fā)揮單一離子傳導(dǎo)和高穩(wěn)定性的優(yōu)勢，用于全固態(tài)鋰離子電池中，具有熱穩(wěn)定性高、不易燃燒爆炸、環(huán)境友好、循環(huán)穩(wěn)定性高、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)勢，同時(shí)有望應(yīng)用在鋰硫電池、鋰空氣電池等新型鋰離子電池上，是未來電解質(zhì)發(fā)展的主要方向。