中國粉體網(wǎng)訊  目前固態(tài)電池已經(jīng)被公認(rèn)為是發(fā)展下一代高安全、高比能量的鋰（離子）電池的關(guān)鍵技術(shù)。而固態(tài)電解質(zhì)是全固態(tài)電池的關(guān)鍵核心材料。相比于液態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解具有良好的安全性、優(yōu)異的靈活性和可加工性，還可使電池具有更高的能量密度、更好的安全性能；此外，固態(tài)電解質(zhì)可實現(xiàn)隔膜與電解液一體化，降低成本。其在很大程度上決定著電池的能量和功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能和使用壽命等。目前常見的固態(tài)電解質(zhì)可分為聚合物類電解質(zhì)、氧化物類和硫化物類無機物固態(tài)電解質(zhì)。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)

聚合物固態(tài)電解質(zhì)(SPE)由聚合物基體和鋰鹽構(gòu)成，具有黏彈性好、機械加工性能優(yōu)等特點。常用的鋰鹽有LiPF₆，LiTFSI，LiClO₄，LiAsF₄和LiBF₄等，SPE基體包括聚環(huán)氧乙烷、聚硅氧烷和脂肪族聚碳酸酯等。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)率先實現(xiàn)應(yīng)用，但存在高成本和低電導(dǎo)率兩個致命問題。目前主流的聚合物固態(tài)電解質(zhì)是聚環(huán)氧乙烷（PEO）電解質(zhì)及其衍生材料。2011 年法國 Bollore 公司推出固態(tài)電池為動力系統(tǒng)的電動車，聚合物固態(tài)電池率先實現(xiàn)商業(yè)化。聚合物電解質(zhì)在室溫下導(dǎo)電率低，能量上限不高，升溫后離子電導(dǎo)率大幅提高但既消耗能量又增加成本，增大了商業(yè)化的難度。 

氧化物固態(tài)電解質(zhì) 

氧化物固態(tài)電解質(zhì)有晶態(tài)和玻璃態(tài)兩種形態(tài)，其中晶態(tài)氧化物固態(tài)電解質(zhì)包括鈣鈦礦型、反鈣鈦礦型、NASICON型、石榴石(Garnet)型及LiPON型等。 

氧化物固態(tài)電解質(zhì)綜合性能好，LiPON薄膜型全固態(tài)電池已小批量生產(chǎn)，非薄膜型已嘗試打開消費電子市場。LLZO型富鋰電解質(zhì)室溫離子導(dǎo)電率為10^-4S/cm、電化學(xué)窗口寬、鋰負(fù)極兼容性好，被認(rèn)為是最有吸引力的固態(tài)電解質(zhì)材料之一，制約其發(fā)展的重要因素是電解質(zhì)和電極之間界面阻抗較大，界面反應(yīng)造成電池容量衰減。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)

氧化物固態(tài)電解質(zhì)中O被S取代后即硫化物固態(tài)電解質(zhì)。S的原子半徑和極化率大，造成晶格畸變形成較大的離子通道。S與Li⁺間結(jié)合力較弱，體系內(nèi)可移動載流子數(shù)量大，因而硫化物固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出較好的離子電導(dǎo)性。但硫化物電解質(zhì)在空氣中極不穩(wěn)定，易與空氣中的 H₂O 反應(yīng)生成 H₂S，而降低電解質(zhì)的使用壽命。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率最高，研究難度最高，開發(fā)潛力最大，如何保持高穩(wěn)定性是一大難題。LGPS 電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率高達(dá)1.2x10^-2 S/cm，可與液態(tài)電解質(zhì)相媲美。雖然硫化物電解質(zhì)與鋰電極的界面穩(wěn)定性較差，但由于離子電導(dǎo)率極高、電化學(xué)穩(wěn)定窗口較寬（5V以上），受到了眾多企業(yè)的青睞，尤其是日韓企業(yè)投入了大量資金進(jìn)行研究。

三大固態(tài)電解質(zhì)體系及特點

資料來源：Recent progress of the solid-state electrolytes for high-energy metal-based batteries, Lei Fan

目前氧化物體系進(jìn)展最快，硫化物體系緊隨其后，高能聚合物體系仍處于實驗室研究階段，硫化物和聚合物體系都已取得長足進(jìn)展。

不同企業(yè)選擇的電解質(zhì)技術(shù)路線

資料來源：寧德時代、輝能科技、LG 等公司官網(wǎng)，光大證券研究所

另一方面，采用固態(tài)電解質(zhì)后，全固態(tài)鋰電池內(nèi)部將出現(xiàn)電極材料與固態(tài)電解質(zhì)的固固界面接觸，與液體電解質(zhì)不同，固固之間無法實現(xiàn)潤濕性，由此產(chǎn)生的界面接觸電阻會嚴(yán)重影響內(nèi)部離子傳輸，使得全固態(tài)鋰電池內(nèi)阻增大、電池循環(huán)和快速充放電性能變差等。為解決全固態(tài)電池內(nèi)部的界面接觸難題，同時充分利用現(xiàn)有液態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，降低制造成本，目前固態(tài)電池技術(shù)路線為優(yōu)先發(fā)展混合固液鋰電池，逐步降低液態(tài)電解質(zhì)的含量，最后實現(xiàn)全固態(tài)鋰電池。

參考資料

光大證券.固態(tài)電池：搶占下一代鋰電技術(shù)制高點——動力電池成本系列報告之三

劉魯靜等.全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)進(jìn)展及現(xiàn)狀

郭浩正.固態(tài)電池的商業(yè)化時代到來了嗎？

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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