锂硫电池固态化的探究!
发布时间:2018-07-11 17:40:28
关键词:锂电池

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想必很多的人都有个共同的疑问,固态电池是一种电池么,它跟锂硫电池什么关系?这就跟当初很多人认为石墨烯电池是一种全新的电池一样。实际上,这只是一种变换概念的叫法而已,在这里不做更多的解释。我们重点对固态电池跟锂硫电池之间的关系做一点小小的科普。


首先,我们知道原电池是由正极、负极、电解液以及外电路构成的,也就是说在电池内部最主要的就是正负极材料和电解液。下图为固态电池的示意图


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图1 固态电池的结构图


其实所谓的固态电池,同样也是由正负极材料和电解液三个部分组成,与传统电池唯一的区别在于固态电池内部使用的是固态的电解质而已。例如固态锂离子电池的正负极材料跟平常我们看到的锂离子电池没有什么区别,正极同样也是使用三元,磷酸铁锂、锰酸锂等,负极使用石墨、石墨烯,或者是硅碳负极(未来最有前景的负极材料,我们后面可能会专门进行介绍)。问题来了,既然差异这么小,为什么固态电池会如此的收到追捧呢?我认为原因在于固态电池对于电池体系的安全性、能量密度和续航能力等方面都会带来较大的提升,至少会对现有的锂离子电池及锂硫电池技术带来一次全新的革命。然而,套用一句很时髦的网络用语“理想是丰满的,现实是骨感的“。下面我们对固态电池进行一个通俗易懂的介绍:


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图2 不同的固态电解质的离子传导率对比


固态电解液,主要分为无机和有机固态电解液。我们常规使用的锂离子电池中主要是用液态的有机电解液,缺点在于有毒、怕水、电压低。而使用无机固态电解液,最主要的优点在于不怕水、不易燃、电压高等。如上图所示,我们可以看出从常温到200°C以内我们有很多的选择。但是考虑到固体电解质的离子电导率相比于液体的有机电解液(10-2 S cm-1),我们可以看到Glass-electrolyte,Glass-ceramic electrolyte,Li10GeP2S12,Li3.25Ge0.25P0.75S4都是很不错的选择。但是对于大规模的工业化生产而言,固态电解质不仅需要较高的离子传导率,较宽的运行温度和电压区间,而且还要有较高的安全性和经济实用性。例如氧化物型固态电解液包括陶瓷材料、NASICON型等,他们被看作是未来最有可能大规模使用的固态电解液。


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图3 Li10GeP2S12类型固态电解质的晶体结构


因为他们能够提供富锂或者是三维的晶体结构,能够促进锂离子在固态电解质中的传导,如图3所示。 那么,如此高大上的固态电解液又有哪些挑战呢?以至于到现在都还很难大规模商业化。首先,固态的电解液和液态的电解液相比,固态的不需要隔膜,可以大大的提升体积能量密度,但是锂离子在固体中的传导率比液相电解液中要低很多,所以固态电池有个通病就是倍率性能比较差,通俗点说就是,当我们使用安装了固态电池的汽车加速或者爬坡时,往往都是力不从心。其次,就是固态电解质在制备的过程中,不仅需要高温,而且需要严格的配比混合均匀,最关键的是对于工业化生产很难保证材料的一致性。另外,固态电解质的厚度对于电池整体的性能也具有致命的影响,因为关系着锂离子在电池内部的扩散等等,因此在工业化生产过程中固体电解液的拉伸和耐压等机械性能也是一个不小的挑战,它们需要始终保持成膜不能够破碎。因此,固态电池的发展还有很长的路要走。而且,如果使用一种单一的固态电解质很难一次性解决的所有面临的问题,所以,在未来一种高效的混合的固态电解质策略可能被采用,因为能够最优化的均衡各种利弊关系,只有这样才能在最短时间内推进储能器件的发展。


总结


传统的三元锂电池单纯从电极材料本身优化上已经很难突破300 Wh/kg的大限。因此,在未来较短的一段时间内,如果想要突破这一大限,我们可以换一种思路,大力发展能量密度高、且相对容易实现工业化生产的锂硫电池等新型锂电池将是种不错的选择。实际上对于电池本身而言,这些方法代表了工业水平的进步,它们对整体电池行业的发展具有长足的推进作用。


最后,固态电池并不是一种电池,锂硫电池、金属空气电池等都可以做成固态电池,其实就是把液电解液换成固态的电解液而已,但是就是这么简单的一换,需要全世界储能方面的科研工作者前仆后继,不断努力实现突破!


稿件来源: 电池社区
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