目前，我國新能源汽車廠商選用的電池體系主要有三元材料/石墨體系，磷酸鐵鋰/石墨體系和三元/鈦酸鋰體系電池三種。選用三元電池的代表車企有吉利、長安、北汽、上汽、江淮等公司，選用磷酸鐵鋰電池的代表車企是比亞迪，三元/鈦酸鋰電池的車企則是珠海銀隆。

 

2017年3月份，國家工信部等四部委聯(lián)合頒布《促進汽車動力電池發(fā)展行動方案》，指出到2020年，要求新型鋰離子動力申池單體比能量超過300Wh/Kg；系統(tǒng)比能量力爭達到260Wh/Kg。

 

 

根據(jù)三種電池的原材料本身性質(zhì)進行判斷，單體比能量超過300Wh/Kg對磷酸鐵鋰和鈦酸鋰電池來說是無法達到的，目前只有三元材料能夠達到這樣的要求。以上是三種鋰電池材料體系的比較，三元電池雖以能量密度超越其他電池，但是其采用的是液態(tài)電解質(zhì)，存在較大的安全隱患。業(yè)內(nèi)對于固態(tài)電解質(zhì)能夠解決鋰電池安全問題保持一致的看法。

 

固態(tài)電池并不是一個新穎的概念，早在2012年蘋果公司就已經(jīng)對固態(tài)電池開始了專利布局。固態(tài)電池是采用固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)的電池。固態(tài)電池的正極材料與液態(tài)電解質(zhì)電池沒有太大差別，負極材料主要選用鋰金屬、鋰合金或石墨烯等。這么多有利的因素，組合在一起就構(gòu)成了固態(tài)鋰離子電池。目前固態(tài)鋰電池可以分為無機固態(tài)電解質(zhì)電池和聚合物固態(tài)鋰電池兩種。固態(tài)鋰電池的發(fā)展主要還是依賴于固體電解質(zhì)的材料的發(fā)展。

 

 

一、固態(tài)電解質(zhì)材料

 

對于固態(tài)電池來說，選用合適的固態(tài)電解質(zhì)材料是電池設計的核心內(nèi)容，一般對電解質(zhì)的性能要求有以下：

 

(1)具有高的室溫電導率;

 

(2)電子無法通過，鋰離子能夠通過；

 

(3)電化學窗口寬；

 

(4)與電極材料相容性好；

 

(5)熱穩(wěn)定性好、耐潮濕環(huán)境、機械性能優(yōu)良；

 

(6)原料易得，成本較低，合成方法簡單。

 

1.聚合物電解質(zhì)

 

在有機聚合物基鋰離子導體中，鋰離子以鋰鹽的形式“溶于”聚合物基體。電導率是表征電解質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)，而傳輸速率主要受到與基體相互作用及鏈段活動能力的影響。提高鏈段的活動性有利于提高鋰離子電導率。

 

目前，研究較多的聚合物固體電解質(zhì)是PEO（聚環(huán)氧乙烷）及其衍生物絡合鋰鹽類聚合物電解質(zhì)。PEO類聚合物在較高的溫度下也有很好的離子電導率，且加工性能好。但PEO類聚合物電解質(zhì)也存在室溫離子電導率低、與金屬鋰負極的相容性差等問題。

 

2.無機固態(tài)電解質(zhì)

 

無機固態(tài)電解質(zhì)材料中，早期開發(fā)的鹵化物電解質(zhì)電導率較低。這些早期開發(fā)的材料還存在化學性質(zhì)不穩(wěn)定、制備困難等問題。

 

 

硫化物電解質(zhì)和氧化物電解質(zhì)都包含有玻璃、陶瓷及玻璃-陶瓷（微晶玻璃）3種不同結(jié)晶狀態(tài)的材料。總的來說，由于S相對于O對Li的束縛作用較弱，有利于Li+的遷移，因此硫化物的電導率往往顯著高于同種類型的氧化物。

 

氧化物電解質(zhì)對空氣和熱穩(wěn)定性高，原料成本低，更易實現(xiàn)規(guī)模化制備。在氧化物電解質(zhì)中，非晶（玻璃）態(tài)氧化物電解質(zhì)的室溫電導率較低，且對空氣中的水汽較敏感，制備往往需要高溫淬冷，難以應用于實際電池。

 

在氧化物中，鋰離子在尺寸大得多的O2-構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)間隙進行傳導，減弱Li-O相互作用、實現(xiàn)鋰離子的三維傳輸及優(yōu)化傳輸通道中鋰離子與空位濃度的比例均有利于提高鋰離子的電導率。基于這些理念，一些具有復雜結(jié)構(gòu)的氧化物鋰離子導體材料相繼出現(xiàn)，其中具有代表性的包括石榴石型結(jié)構(gòu)體系、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)體系、鈉快離子導體結(jié)構(gòu)體系。然而，這些材料中，只有石榴石型結(jié)構(gòu)體系的材料對金屬鋰穩(wěn)定。另兩種結(jié)構(gòu)體系中電導率較高的材料均含有可被金屬鋰還原的Ti、Ge等元素。此外，石榴石型結(jié)構(gòu)體系材料對空氣有較好的穩(wěn)定性，原料成本低，燒結(jié)體具有較高的機械強度，因此具備作為理想固態(tài)電解質(zhì)廣泛應用于全固態(tài)鋰電池的潛力。

 

 

二、待解決的問題

 

將固態(tài)電解質(zhì)引入鋰電池是為了突破目前有機電解液存在的種種限制，提高電池的能量密度、功率密度、工作溫度范圍和安全性。然而，真正實現(xiàn)這些目標，仍需首先解決現(xiàn)有電解質(zhì)材料本身以及與電極界面存在的一些問題。

 

例如，提高能量密度需要使用低電位、大容量的負極材料，以及高電位、大容量的正極材料，這樣的情況下，存在高電壓的情況，聚合物和硫化物有限的電化學窗口往往難以直接應用的問題。提高功率密度則需要提高電解質(zhì)電導率，這依舊是個很大的難題。

 

三、總結(jié)

 

全固態(tài)鋰電池具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。全固態(tài)鋰電池當前能量密度約400Wh/Kg，預估最大潛力值達900Wh/Kg。但是固態(tài)電池在提升能量密度、功率密度等方面還存在一些待解決的問題，需要從固態(tài)電解質(zhì)、正負極材料上著手，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。