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開發(fā)背景
鋰電安全一直都是行業(yè)關(guān)心的問題。由于應(yīng)用端及政策層面對能量密度的要求不斷提升，三元電池成為主流技術(shù)路線的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。但時至今日，困擾三元電池的安全性仍然沒有得到很好的解決，就連號稱BMS做到全球最好的特斯拉，也是安全事故不斷，2017年僅國內(nèi)就有兩輛Model S發(fā)生嚴重起火事件，三元電池的安全性仍然受到大家的質(zhì)疑。
隨著新能源汽車的發(fā)展，高能量密度、高安全性電池成為市場的必爭目標。有專家認為，利用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)電解質(zhì)是從本質(zhì)上提升鋰電池安全性的必由之路。
全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機液態(tài)電解液，有望從根本主解決電池安全性問題，是電動汽車和規(guī)?；瘍δ芾硐氲幕瘜W(xué)電源。全固態(tài)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)包括正極、電解質(zhì)、負極，全部由固態(tài)材料組成。
與傳統(tǒng)電解液鋰離子電池相比具有的優(yōu)勢
完全消除了電解液腐蝕和泄露的安全隱患，熱穩(wěn)定性更高。由于液態(tài)電解質(zhì)中含有易燃的有機溶液，發(fā)生短路溫度驟升時容易發(fā)生燃燒和爆炸，需要安裝抗溫升和防短路的安全裝置結(jié)構(gòu)。而固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，因而全固態(tài)電池具有極高安全性。
不必封裝液體，支持串行疊加排列和雙極結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率；
由于固體電解質(zhì)的固態(tài)特性，可以疊加多個電極；
電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬(可達5V以上) ，可以匹配高電壓電極材料:
固體電解質(zhì)一般是單離子導(dǎo)體，幾乎不存在副反應(yīng)，使用壽命更長。
相對較輕。相比液態(tài)電池，相同容量的電池組，固態(tài)電解質(zhì)電池相對較輕。比如特斯拉-松下生產(chǎn)的三元鋰電池組質(zhì)量達到900kg，而固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司Seeo Inc生產(chǎn)的相同容量電池組的質(zhì)量卻只有323kg，接近前者的三分之一。
然而，固態(tài)電池也有缺點。固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率總體偏低導(dǎo)致了其倍率性能整體偏低，內(nèi)阻較大，充電速度慢，且成本總體偏高，現(xiàn)在的固態(tài)電池如果要和普通鋰離子電池在傳統(tǒng)市場上競爭，并沒有太大的優(yōu)勢。因此，發(fā)揮固態(tài)電池本身高安全性、高溫穩(wěn)定性、可能達到的柔性等其它多功能特性，與傳統(tǒng)鋰離子電池在差異化的市場中進行競爭，可能是固態(tài)電池近期內(nèi)比較有希望的市場突破方向。
聚合物固態(tài)電解質(zhì)（SPE)
組成：由聚合物基體(如聚酯、聚酶和聚胺等)和鋰鹽(如 LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等)構(gòu)成。
特點：質(zhì)量較輕、黏彈性好、機械加工性能優(yōu)良等。
主要類別：聚環(huán)氧乙烷（PEO)、聚丙烯腈（PAN)、聚偏氟乙烯（PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)、聚環(huán)氧丙烷（PPO)、聚偏氯乙烯 (PVDC)以及單離子聚合物電解質(zhì)。
機理：固態(tài)聚合物電解質(zhì)中離子傳輸主要發(fā)生在無定形區(qū)，而室溫條件下未經(jīng)改性的PEO的結(jié)晶度高，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率較低，嚴重影響大電流充放電能力。研究者通過降低結(jié)晶度的方法提高PEO鏈段的運動能力，從而提高體系的電導(dǎo)率，其中最為簡單有效的方法是對聚合物基體進行無機粒子雜化處理。目前研究較多的無機填料包括 MgO 、Al2O3、SiO2等金屬氧化物納米顆粒以及沸石、蒙脫土等，這些無機粒子的加入擾亂了基體中聚合物鏈段的有序性，降低了其結(jié)晶度，聚合物、鋰鹽以及無機粒子之間產(chǎn)生的相互作用增加了鋰離子傳輸通道，提高電導(dǎo)率和離子遷移數(shù)。無機填料還可以起到吸附復(fù)合電解質(zhì) 中的痕量雜質(zhì)(如水分)、提高力學(xué)性能的作用。
從整體來看，固態(tài)電池現(xiàn)在的制備技術(shù)成熟度還有待加強，能形成規(guī)模產(chǎn)能的企業(yè)有限，技術(shù)規(guī)模化擴產(chǎn)需要克服的困難還有很多，仍處于推廣發(fā)展期。但可以預(yù)期的是，隨著研發(fā)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，全固態(tài)電池中的科學(xué)和工藝上的問題會逐漸得到緩解，在未來幾年，固態(tài)電池產(chǎn)品的市場會迎來蓬勃發(fā)展的機遇。
鋰電安全一直都是行業(yè)關(guān)心的問題。由于應(yīng)用端及政策層面對能量密度的要求不斷提升，三元電池成為主流技術(shù)路線的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。但時至今日，困擾三元電池的安全性仍然沒有得到很好的解決，就連號稱BMS做到全球最好的特斯拉，也是安全事故不斷，2017年僅國內(nèi)就有兩輛Model S發(fā)生嚴重起火事件，三元電池的安全性仍然受到大家的質(zhì)疑。
隨著新能源汽車的發(fā)展，高能量密度、高安全性電池成為市場的必爭目標。有專家認為，利用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)電解質(zhì)是從本質(zhì)上提升鋰電池安全性的必由之路。
全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機液態(tài)電解液，有望從根本主解決電池安全性問題，是電動汽車和規(guī)?；瘍δ芾硐氲幕瘜W(xué)電源。全固態(tài)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)包括正極、電解質(zhì)、負極，全部由固態(tài)材料組成。
與傳統(tǒng)電解液鋰離子電池相比具有的優(yōu)勢
完全消除了電解液腐蝕和泄露的安全隱患，熱穩(wěn)定性更高。由于液態(tài)電解質(zhì)中含有易燃的有機溶液，發(fā)生短路溫度驟升時容易發(fā)生燃燒和爆炸，需要安裝抗溫升和防短路的安全裝置結(jié)構(gòu)。而固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，因而全固態(tài)電池具有極高安全性。
不必封裝液體，支持串行疊加排列和雙極結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率；
由于固體電解質(zhì)的固態(tài)特性，可以疊加多個電極；
電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬(可達5V以上) ，可以匹配高電壓電極材料:
固體電解質(zhì)一般是單離子導(dǎo)體，幾乎不存在副反應(yīng)，使用壽命更長。
相對較輕。相比液態(tài)電池，相同容量的電池組，固態(tài)電解質(zhì)電池相對較輕。比如特斯拉-松下生產(chǎn)的三元鋰電池組質(zhì)量達到900kg，而固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司Seeo Inc生產(chǎn)的相同容量電池組的質(zhì)量卻只有323kg，接近前者的三分之一。
然而，固態(tài)電池也有缺點。固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率總體偏低導(dǎo)致了其倍率性能整體偏低，內(nèi)阻較大，充電速度慢，且成本總體偏高，現(xiàn)在的固態(tài)電池如果要和普通鋰離子電池在傳統(tǒng)市場上競爭，并沒有太大的優(yōu)勢。因此，發(fā)揮固態(tài)電池本身高安全性、高溫穩(wěn)定性、可能達到的柔性等其它多功能特性，與傳統(tǒng)鋰離子電池在差異化的市場中進行競爭，可能是固態(tài)電池近期內(nèi)比較有希望的市場突破方向。
聚合物固態(tài)電解質(zhì)（SPE)
組成：由聚合物基體(如聚酯、聚酶和聚胺等)和鋰鹽(如 LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等)構(gòu)成。
特點：質(zhì)量較輕、黏彈性好、機械加工性能優(yōu)良等。
主要類別：聚環(huán)氧乙烷（PEO)、聚丙烯腈（PAN)、聚偏氟乙烯（PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)、聚環(huán)氧丙烷（PPO)、聚偏氯乙烯 (PVDC)以及單離子聚合物電解質(zhì)。
機理：固態(tài)聚合物電解質(zhì)中離子傳輸主要發(fā)生在無定形區(qū)，而室溫條件下未經(jīng)改性的PEO的結(jié)晶度高，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率較低，嚴重影響大電流充放電能力。研究者通過降低結(jié)晶度的方法提高PEO鏈段的運動能力，從而提高體系的電導(dǎo)率，其中最為簡單有效的方法是對聚合物基體進行無機粒子雜化處理。目前研究較多的無機填料包括 MgO 、Al2O3、SiO2等金屬氧化物納米顆粒以及沸石、蒙脫土等，這些無機粒子的加入擾亂了基體中聚合物鏈段的有序性，降低了其結(jié)晶度，聚合物、鋰鹽以及無機粒子之間產(chǎn)生的相互作用增加了鋰離子傳輸通道，提高電導(dǎo)率和離子遷移數(shù)。無機填料還可以起到吸附復(fù)合電解質(zhì) 中的痕量雜質(zhì)(如水分)、提高力學(xué)性能的作用。
從整體來看，固態(tài)電池現(xiàn)在的制備技術(shù)成熟度還有待加強，能形成規(guī)模產(chǎn)能的企業(yè)有限，技術(shù)規(guī)模化擴產(chǎn)需要克服的困難還有很多，仍處于推廣發(fā)展期。但可以預(yù)期的是，隨著研發(fā)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，全固態(tài)電池中的科學(xué)和工藝上的問題會逐漸得到緩解，在未來幾年，固態(tài)電池產(chǎn)品的市場會迎來蓬勃發(fā)展的機遇。
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