鋰電池最終發(fā)展方向是什么？

當(dāng)前市場(chǎng)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(diǎn)，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(diǎn)：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(shí)現(xiàn)電池的薄膜化，電池的形狀設(shè)計(jì)方面自由度大，能量密度也大大提高。

缺點(diǎn)：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(zhǎng)時(shí)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(guò)聚合過(guò)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(méi)有太多差異。

聚合物鋰電池之后的技術(shù)發(fā)展會(huì)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(méi)達(dá)到固體電池的水平，固體電池能量密度未來(lái)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(guò)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(kāi)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(lèi)(Polyethylene

oxide聚環(huán)氧乙烷)聚合物的話，陰離子的離子傳導(dǎo)會(huì)阻礙鋰離子的移動(dòng)，所以導(dǎo)致影響輸出功率的實(shí)效性，鋰離子傳導(dǎo)率的數(shù)值較低。

日本科學(xué)家開(kāi)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(lèi)聚合物運(yùn)動(dòng)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(lèi)聚合物相比，可在室溫(20℃)條件下達(dá)到3倍以上的實(shí)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(lái)開(kāi)始受到矚目。這是由于其在能量密度提高的同時(shí)，還可望確保安全性和實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命。對(duì)電動(dòng)車(chē)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(guò)度充電、內(nèi)部短路等異常時(shí)可能導(dǎo)致電解液發(fā)熱，有自燃或甚至爆炸的危險(xiǎn)。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(shí)鋰的擴(kuò)散速度(離子傳導(dǎo)率)較液體電解液時(shí)高，理論上認(rèn)為其可實(shí)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(huì)實(shí)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(jiǎn)化，從而能以卷對(duì)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?jiǎn)卧?，使此前不可能的電池得以?shí)現(xiàn)。

電動(dòng)車(chē)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(duì)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(shì);而在延長(zhǎng)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(zhǎng)，提高能量密度也是固態(tài)電池的一個(gè)開(kāi)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(shí)電解液就開(kāi)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(lái)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(huì)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(shí)，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(duì)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(shí)現(xiàn)，似將發(fā)揮重要的作用。硫化鋰電池使用硫(S)類(lèi)材料為正極，若使用有機(jī)電解液，硫會(huì)溶解于其中。如能利用固態(tài)電解質(zhì)，則這個(gè)問(wèn)題就不存在了。