固態(tài)電池目前主要的技術(shù)線路包括:聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系和鹵化物體系,其自身特點如下:
通過上面各種技術(shù)線路對比,可以發(fā)現(xiàn)聚合物電解質(zhì)雖然柔韌性好、質(zhì)量輕、成本低、易于加工,但是其離子電導(dǎo)率比較低,而且因其難以抑制鋰枝晶的形成,所以一般會搭配其他配方進(jìn)行使用,寧德時代之前發(fā)布的凝聚態(tài)電池是該技術(shù)線路上的一個產(chǎn)品。
除聚合物電解質(zhì)外,氧化物電解質(zhì)是目前產(chǎn)業(yè)化最快的技術(shù)路線,其電導(dǎo)率明顯高于聚合物,并且熱穩(wěn)定性非常好,目前市面上半固態(tài)電池多采用氧化物電解質(zhì),其制造成本、電化學(xué)性能方面較為均衡,缺點是電導(dǎo)率較低、且因脆性較大,機(jī)械加工能力較差,導(dǎo)致其界面接觸性一般。界面接觸是指電解質(zhì)與正負(fù)極材料的接觸面相互作用和接觸的質(zhì)量,良好的界面接觸性對于降低電池內(nèi)阻、增加循環(huán)壽命和能量密度非常重要。液態(tài)電池有液態(tài)電解質(zhì)填充,接觸面貼合效果較好;而氧化物電解質(zhì)脆性大,難以與正負(fù)極材料進(jìn)行較好的貼合,影響其性能。
硫化物電解質(zhì)處于產(chǎn)業(yè)化的初期,其離子電導(dǎo)率是四種技術(shù)線路中最高的,發(fā)展?jié)摿ψ畲螅⑶伊蚧镫娊赓|(zhì)機(jī)械性能較好,可以解決氧化物電解質(zhì)界面接觸問題。
鹵化物電解質(zhì)在離子電導(dǎo)率方面與氧化物電解質(zhì)相近,但在界面接觸性和化學(xué)穩(wěn)定性上表現(xiàn)良好,目前處于科研層面。
從上述各技術(shù)路線的分析可以看出,硫化物電解質(zhì)的發(fā)展?jié)摿薮?,但影響其產(chǎn)業(yè)化最大的問題就是成本較高。常見硫化物電解質(zhì)有Li6PS5Cl、Li7P3S11、Li10GeP2S12、Li3PS4等,其原材料均含有Li2S,該材料的成本非常高,達(dá)到650美元/公斤,并且該材料在上述電解質(zhì)占據(jù)30%以上比例,所以對電解質(zhì)總體成本影響較大,致使硫化物電解質(zhì)成本高于195美元/公斤,該價格超過了市場普遍認(rèn)可的50美元/公斤商業(yè)化的成本閾值。
馬騁教授團(tuán)隊通過規(guī)避Li2S的使用,合成一種簡稱LPSO的新材料,該材料采用廉價的Li2S提供Li離子,并采用P2S5提供S離子,將兩種原材料混合并通過機(jī)械球磨制備混合物,并在特定溫度下退火結(jié)晶,通過該團(tuán)隊特定工藝最終制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的LPSO材料,該材料的生產(chǎn)成本僅為14.42美元/公斤,該技術(shù)對于硫化物電解質(zhì)商用提供了新的解決思路,并且該材料密度僅為1.7g/cm3,遠(yuǎn)低于氧化物和鹵化物電解質(zhì),這對于提升材料的質(zhì)量能量密度至關(guān)重要。
除此之外,固態(tài)電池負(fù)極兼容性也受到密切關(guān)注,因為固態(tài)電池一般采用鋰金屬作為負(fù)極,而鋰元素作為一種活潑金屬,電解質(zhì)與負(fù)極鋰金屬兼容性較差的情況下,則易產(chǎn)生鋰枝晶以及不穩(wěn)定的SEI膜,從而造成負(fù)極鋰離子更大的損失以及更高的阻抗,這會進(jìn)一步惡化離子導(dǎo)電性,最終影響電池性能。而LPSO材料則表現(xiàn)出良好的負(fù)極兼容性,它在于鋰金屬和硅基負(fù)極結(jié)合時,表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,這表明其實用化程度較高。
在此之前,還沒有氧化物、硫化物或鹵化物固態(tài)電解質(zhì)能夠同時滿足低成本、低密度以及良好的離子導(dǎo)電性三個特性。LPSO材料的低成本、低密度以及優(yōu)異的負(fù)極兼容性使其成為非常有競爭力的新配方。唯一不足的是,該材料的離子電導(dǎo)率未完全達(dá)到該材料的實際潛能,目前還處于氧化物和鹵化物之間的水平,造成該問題的原因是,在現(xiàn)有的合成方法中,材料中會存在一部分的非晶相。非晶相指分子排列還未達(dá)到長程有序的晶格化排列,影響鋰離子的電導(dǎo)率。也由于該問題影響了LPSO材料的長期穩(wěn)定性和循環(huán)性能。從長遠(yuǎn)來看,該技術(shù)問題是可以完全攻克的,因此從產(chǎn)業(yè)化最關(guān)注的成本角度來看,在LPSO材料未來提升電導(dǎo)率和循環(huán)壽命情況下,其成本以及其他方面的潛力是目前最優(yōu)固態(tài)電解質(zhì)之一,因為LPSO在保持了各項優(yōu)異的性能的前提下,實現(xiàn)了成本的大幅下降,這無疑是突破性的進(jìn)展。
長安綠電科技有限公司致力于根本性地改善綠電在生活和工作中的應(yīng)用,積極提升鋰電池技術(shù),不斷完善產(chǎn)品能量密度與安全性問題。長安綠電與固態(tài)電池龍頭企業(yè)重慶太藍(lán)新能源簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議,共同研發(fā)固態(tài)三元鋰電池軟包產(chǎn)品,推進(jìn)固態(tài)電池在家用儲能領(lǐng)域的深度應(yīng)用。