固態電池會是新一代電池技術引領者嗎？

2021-04-24 ryder

電池技術發展到今天，可以說相對已經比較成熟了，但也同樣遇上了瓶頸，急需新一代技術的誕生，尤其是新能源范疇。

固態電池是有望成為下一代動力電池技術中，呼吁聲最高的一種。因為全固態電池不僅技術成熟度相對較高，國內外眾多鋰電池企業也已將全固態電池技術作為緊要的下一代技術儲備。

此外，固態電池還是像前不久獲得諾貝爾化學的約翰·班寧斯特·古迪納夫等一批國際頂尖學者極力支持的技術。

所以，無論是主觀還是客觀，發展固態電池都是必然選擇，當然時間可能會比較漫長一點，道路可能會比較蜿蜒一些。

固態電池具有高安全性、高能量密度、長循環壽命、寬工作溫度范圍等優勢，其中非常核心的就是固態電解質。

從技術路徑來講，固態電解質主要可分為三大類，即氧化物電解質，例如常見的LLZO類電解質；硫化物電解質，例如Li2S–P2S5電解質；有機聚合物電解質，例如常見的PEO基聚合物電解質等。

在固態電池技術發展早期，由于固態電解質材料電導率相對較低，研發的重點多聚集在提高固態電解質的電導率方面，因此具有高離子電導率的硫化物電解質和氧化物固態電解質吸引了廣泛關注。

但是隨著技術的不斷進步，研究者發現電導率已不是制約固態電池發展的主要因素，界面問題與量產工藝才是當下需要克服的難點。

硫化物和氧化物電解質機械出產性能較差，界面接觸問題與量產化工藝問題遲遲無法處理，而聚合物電解質由于具有優良的出產特性與良好的界面接觸成為了三種技術路線中最有希望的一種。

聚合物基固態鋰電池在學術研究方面已經取得了長足進步，但是其產業化進程依然相對緩慢，目前尚無明確的商業化時間表。

總體來看，聚合物電解質出產性能優異，能與電極材料形成良好的界面接觸，但該電解質常溫電導率較低，因此采用聚合物電解質的鋰電池很難在60℃以下的溫度進行工作。

硫化物固態電解質常溫電導率非常高，與液態電解質接近，出產性能較好，但是在大氣環境中不穩定，容易與其中的水分加工劇毒的H2S氣體，因此整個出產過程需要在惰性氣氛保護下進行，加工成本較高。

氧化物電解質電導率較高，在空氣中穩定性較好，但與電極材料界面問題有待優化，且氧化物電解質脆性較大，出產性能較差。

所以，雖然固態電池目前具有鋰電池所無法比擬的優點，但是全固態電池的開發依然是一條洋溢荊棘的路，目前主要存在成本高、界面接觸不良、鋰枝晶生長等問題。

成本方面，以常見的LLZO電解質為例，LLZO電解質當前價格為2000$/kg，遠高于傳統碳酸酯類電解液。

界面接觸方面，在全固態電池中，過渡金屬氧化物顆粒依然是主要的正極材料，當制成電極時，會在電極內形成大量復雜的孔隙，傳統的液態電解質能夠滲入這些孔隙，從而保證所有的活性物質都能夠參與到電化學反應之中。

但固態電解質不具有流動性，因此很難保證活性物質顆粒與固態電解質的充足接觸，同時電池充放電過程中活性物質的體積變化也會進一步破壞固態電解質與活性物質顆粒的接觸界面，造成固態電解質與活性物質之間較大的接觸阻抗，影響固態鋰電池的性能發揮。

此外，固態電池依然存在鋰枝晶問題，通常我們認為固態電解質良好的機械強度能夠有效的抑制Li枝晶的生長，但是研究卻聲明Li枝晶依然能夠沿著Li7La3Zr2O12與Li2S–P2S5兩類固態電解質的晶界快速生長，往往幾十次循環就會發生內短路，嚴重影響全固態鋰電池的使用壽命。