当下新能源电池类型以液态锂离子电池为主,即所使用的电解质为液态电解质,但传统的液态锂电池能量密度已接近技术天花板,且存在一定的电池爆炸燃烧等安全性缺陷,相关材料体系的升级也已接近理论极限。固态电解质是实现锂离子电池高安全性、能量密度、循环寿命性能的关键。
目前全球多国政府及各大车企及电池厂商均在积极倡导和布局固态/半固态锂电池,相比液态锂电池,固态/半固态锂电池是将电解质从液态逐步转变为固态/固液混合电解质,使锂电池在安全性、低温可靠性和能量密度三个方面实现突破性提升,兼具高能量密度和高安全性两大优势,能量密度可突破500Wh/kg。
根据电解质的种类,固态电解质可分为聚合物、硫化物及氧化物三条技术路线。聚合物优点为易于加工、生产工艺兼容、界面相容性好、机械性能好,缺点为常温离子电导率低、电化学窗口略窄、热稳定性和能量密度提升有限,制约了其大规模应用;硫化物被认为发展潜力大,优点为电导率高、兼具强度与加工性能、界面相容性好,缺点为与正极材料兼容度差、对锂金属稳定性差、对氧气和水分敏感、存在潜在污染问题、生产工艺要求高且成本较高,目前仍处于研发阶段;氧化物综合性能最好,优点为电化学窗口宽、热稳定性好、机械强度高,锂离子导电率高、成本适中,缺点为难以加工、固—固界面相容性差。
氧化物电解质是含有锂以及其他成分(磷、钛、铝、镧、锗、锌、锆)的化合物,可分为晶态和非晶态两类,非晶态主要为 LiPON 型,晶态类可分为钙钛矿型(LLTO)、反钙钛矿型(LOC)、石榴石型(LLZO/LLZTO)、快离子导体型(LATP/LZG)等几类。
根据多个国家制定的固态电池发展目标和产业技术规划,2020-2025年着力提升电池能量密度并向固态电池转变,预期在2030年将研发出可商业化使用的全固态电池。
固态电解质作为液态锂电池向固态/半固态锂电池转变的基础和核心材料,在固态电池梯次渗透和逐步产业化过程中,均会被应用于固态电池的研发和技术革新,因此其规模化应用将早于固态电池的全面产业化,预期将在2025-2030年实现规模化应用。
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