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计算机与信息学院 第5章 固态电池 固态电池发展必要性： * * 5.1 固态电池原理 2020年：300Wh/kg 2025年：400Wh/kg 2030年：500Wh/kg 节能与新能源汽车技术路线图 传统锂离子电池 锂电池业界普遍认为三元锂电池技术路线的比能量密度上限是350Wh/kg。 随着电池能量密度的不断提升，锂电池的安全隐患增加。 固态电池工作原理： * * 5.1 固态电池原理 固态锂离子电池和传统的锂离子电池的工作原理并无区别，锂离子来回迁移来实现充放电过程，而固态电池的电解质为固态，相当于锂离子迁移的场所转移到了固态的电解质中，固态电解质是固态电池的核心。 固态电池国外研究进展： * 5.2 固态电池研究进展 法国Batscap公司采用磷酸铁锂为正极，金属锂为负极制造的全固态动力电池，能量密度高达200Wh/kg。 丰田推出过续航里程可超过1000km的固态电池,电解质由硫化固态电解质材料构成，其中包含锂、磷、硫和碘元素，电极活性材料层则添加了特殊的磷酸酯，提高了电池的热稳定性。 美国Sakti3公司研发全种固体电池的体积能量密度能够达到1000Wh/L，2014年Sakti3宣布采用薄膜生产工艺。 美国Seeo公司开发了一种固体电池，使用了一种聚合物固体电解质，能量密度是普通液体电解质电池的2倍，并且该电池不会像液态锂离子电池那样突然出现故障。 国外研究进展 固态电池国内研究进展： * 5.2 固态电池研究进展 台湾辉能科技公司曾推出一款采用软性电路板为基材的固态电池，其厚度仅有2mm，相当于一小片口香糖的厚度，可以随意折叠弯曲，容量可以达到1000毫安。 北京大学化学与分子工程学院在锂离子电池电极材料如磷酸铁锂、三元素、复合硫正极材料等方面有着很好的研究和产业化基础，目前正在开展全固态电池负极材料表面改性技术研究， 国内研究进展 北京理工大学动力电池及化学能源材料北京市高等学校工程研究中心开展了用三维纳米结构固体电解质研制磷酸铁锂固体电池的研究，取得了较好的结果。 * 5.3 固态电池分类 电解质核心要求 电导率高 热稳定性好 化学稳定性高 电化学窗口宽 根据固态电解质材料的不同，固态电池分成聚合物、氧化物和硫化物三大类，其中聚合物电解质属于有机电解质，氧化物与硫化物电解质属于无机陶瓷电解质。不管是固态还是液态，对电解质的核心要求就是稳定性好、安全性高、性能优异。 电解质分类 聚合物电解质 氧化物电解质 硫化物电解质 * 5.3 固态电池分类 聚合物电解质 1、聚合物固态电解质(SPE)主要由聚合物基体与锂盐构成，其优点在于高温离子电导率高，易于加工，电极界面阻抗可控。 2、聚合物固态电解质特点是质量较轻、黏弹性好、机械加工性能优良等。 3、聚合物固态电解质率先小规模量产，技术最成熟，性能上限低。 * 5.3 固态电池分类 氧化物电解质 薄膜型 非薄膜型 薄膜型主要采用LiPON这种非晶态氧化物作为电解质材料。 非薄膜型则指除LiPON以外的晶态氧化物电解质，其中LLZO是当前的热门材料，综合性能优异。 薄膜型产品性能较好，但扩容困难。 薄膜制备的成本高、规模化生产的难度大。 非薄膜型氧化物产品综合性能出色。 项指标都比较平衡，不存在较大的生产难题。 * 5.3 固态电池分类 硫化物电解质 缺点：对环境敏感，存在安全问题，开发进度也处于最早期。其生产环境限制与安全问题是最大的阻碍。硫化物固态电解质对空气敏感，容易氧化。 优点：硫化物体系开发潜力最大，开发难度也最大。硫化物电解质是电导率最高的一类固体电解质，电化学窗口达5V以上，在锂离子电池中应用前景较好，是学术界及产业界关注的重点。 * 5.4 固态电池挑战 能量密度高 固态电池优点 安全性能好 循环寿命长 较于传统的液态电解质电池，可以说固态电池在各方面的提升都是质的飞跃。由于其能量密度、安全性和可靠性均有所提升，固态充电电池引起了业内极大的关注。 * 5.4 固态电池挑战 固态电池挑战 界面阻抗过大：与传统锂离子电池相比，固态电解质电池的固-固界面电极与电解质之间有效接触较弱。 金属锂负极：使用金属锂作为负极材料有极大难度，但是可以大幅提升整个电芯的能量密度。 室温电导率：固态电解质电导率总体低于液态电解质，这 就导致了目前固态电池的内阻过大。 生产工艺设备：锂金属用作负极材料的制备，制造难度堪比芯片。 成本价格高：固态电解质市场价格远高于液态电解质 * 5.5 固态电池展望 业界普遍认为的固态电池诸多优势都只是理论上的，很多层面都没有经过验证。相对于液态电解质电池，目前在全球范围内还没有报道显示固态电池的综合电化学性能超过液态电池。 可以预