鋰電池最終發(fā)展方向是什么?
當(dāng)前市場上的鋰電池:聚合物鋰電池由高分子材料和金屬材料合成,具備小型化、輕量化、厚度超薄,高容量的特點,在智能穿戴設(shè)備應(yīng)用上非常受歡迎,但是鋰電池最終發(fā)展的形態(tài)方向是什么呢?
固態(tài)聚合物鋰離子電池
優(yōu)點:漏液的可能性比較小,外包裝可以用laminate軟包材質(zhì),有利于實現(xiàn)電池的薄膜化,電池的形狀設(shè)計方面自由度大,能量密度也大大提高。
缺點:由于使用凝膠狀電解液,鋰離子傳導(dǎo)性能比較差,需要較長時間的充電,倍率性上比液體電解液也要差一些。但目前技術(shù),經(jīng)過聚合過程的改善,高端電解液和添加劑使得循環(huán)壽命和放電的倍率性提高的很快,跟液體電池沒有太多差異。
聚合物鋰電池之后的技術(shù)發(fā)展會向全固體電池、固體電解質(zhì)材料與添加劑發(fā)展。目前聚合物電池性能上還沒達(dá)到固體電池的水平,固體電池能量密度未來的目標(biāo):400Wh/kg,3000次循環(huán)壽命(10年),倍率性能、容量與安全性有大幅度提高。
新電池材料探索在于不容易揮發(fā),阻燃性的下一代電解質(zhì)材料及添加劑離子電解液提高電化學(xué)性、熱穩(wěn)定性,添加劑使得電池散熱性能及導(dǎo)電性能不受固體影響,達(dá)到或超過液體電解質(zhì)的導(dǎo)電導(dǎo)熱水平。
為了向固體鋰離子電池進(jìn)軍,目前業(yè)內(nèi)正在開發(fā)采用離子傳導(dǎo)性聚合物和陶瓷的固體高分子電解質(zhì)。
但是,固體高分子電解質(zhì)材料采用目前離子傳導(dǎo)率最高的聚乙烯類(Polyethylene
oxide聚環(huán)氧乙烷)聚合物的話,陰離子的離子傳導(dǎo)會阻礙鋰離子的移動,所以導(dǎo)致影響輸出功率的實效性,鋰離子傳導(dǎo)率的數(shù)值較低。
日本科學(xué)家開發(fā)成功的固體高分子電解質(zhì)是一種聚乙二醇(Polyethylene
glycoD酸脂化合物,形成了以不阻礙聚乙烯類聚合物運動的硼酸脂化合物的形式導(dǎo)入具有固定陰離子功能的硼原子的構(gòu)造。與此前一直研究的碳酸類聚合物相比,可在室溫(20℃)條件下達(dá)到3倍以上的實效性鋰離子傳導(dǎo)率。
采用固態(tài)電解質(zhì)的大容量新一代鋰電池,即所謂“全固態(tài)電池”近來開始受到矚目。這是由于其在能量密度提高的同時,還可望確保安全性和實現(xiàn)長壽命。對電動車和定制式用大型鋰離子充電電池而言,保證安全是最重要的。
采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子充電電池,因有過度充電、內(nèi)部短路等異常時可能導(dǎo)致電解液發(fā)熱,有自燃或甚至爆炸的危險。而將有機(jī)電解液代之以固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)電池,其安全性可大幅提高。并且,因在理想狀態(tài)下,固態(tài)時鋰的擴(kuò)散速度(離子傳導(dǎo)率)較液體電解液時高,理論上認(rèn)為其可實現(xiàn)更高的輸出。
并且,固態(tài)電池包括其制造方式在內(nèi),可能會實現(xiàn)突破現(xiàn)有電池概念的特性。例如,因不必封入液體,則電池外裝可以簡化,從而能以卷對卷(roll-to-roll)方式制造大面積單元。進(jìn)一步,還可將數(shù)層電極層積,并在單元內(nèi)串聯(lián),制作12V或24V的大電壓單元等,使此前不可能的電池得以實現(xiàn)。
電動車和定制式蓄電用大型電池和超大型鋰電池,而非迄今為止的主流——便攜設(shè)備用的小型電池的需求激增,因此要求電池特性的改變,使得研發(fā)方向發(fā)生重大改變。特別是對電池的安全性與使用壽命,有比現(xiàn)有的鋰離子充電電池更加嚴(yán)格的要求。其中,安全性自不待言,固態(tài)電池有明顯優(yōu)勢;而在延長使用壽命方面,“固態(tài)電池的周期壽命特性原本就優(yōu)異”。
耐高電壓:除了比目前的鋰離子充電電池更安全與使用壽命更長,提高能量密度也是固態(tài)電池的一個開發(fā)主題。使固態(tài)電池具有可增加能量密度特征的理由之一是固體電解質(zhì)電位窗(potential
window*)的寬廣度。而現(xiàn)有傳統(tǒng)的有機(jī)電解液,當(dāng)電池電壓接近4V時電解液就開始分解,因此很難提高電池的電壓上限。
電位窗(Potential window):由溶劑和鹽組成的電解液不出現(xiàn)氧化還原反應(yīng)的電壓范圍。取決于溶劑、鹽與電極材料。
目前,為提高容量,鋰離子充電電池的負(fù)極正準(zhǔn)備變更為電流容能高的硅等材料。與負(fù)極相應(yīng)的高容量正極材料雖同樣重要,但尚未發(fā)現(xiàn)有望支持更高電流容量的正極材料。因此,在正極材料方面,將利用電流容量不變,而以高電壓來增加能量密度的所謂·“5V”正極材料作為了目標(biāo)。
但即使采用5V電壓型正極材料,傳統(tǒng)的有機(jī)電解液還是會分解,電池的電壓還是不能提高。而使用具有更寬廣電位窗的固態(tài)電解質(zhì),便可令5V正極成為可行的解答。
因固態(tài)電解質(zhì)是固體,當(dāng)電極材料與電解質(zhì)間的界面發(fā)生反應(yīng)時,其進(jìn)一步反應(yīng)難以進(jìn)行,比有機(jī)電解液難分解,因而電位窗高。
并且,固態(tài)電解質(zhì)對作為鋰聚合物充電電池而受到關(guān)注的硫化鋰(Li-S)*與鋰空氣(Li-air)*電池等的下一代電池的實現(xiàn),似將發(fā)揮重要的作用。硫化鋰電池使用硫(S)類材料為正極,若使用有機(jī)電解液,硫會溶解于其中。如能利用固態(tài)電解質(zhì),則這個問題就不存在了。
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