中國儲能網(wǎng)訊：用固體電解質(zhì)替代易燃電解液的全固態(tài)電池，有望在實現(xiàn)高能量密度的同時，提高電池的安全性。然而，盡管很多公司很早以前就開始布局全固態(tài)電池發(fā)展路線，但大多數(shù)公司都未能按時發(fā)布其全固態(tài)電池產(chǎn)品。這是因為關(guān)鍵的固體電解質(zhì)及其界面問題尚未得到很好的解決。相比于鋰離子電池，目前全固態(tài)電池在循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能和能量密度方面的競爭力仍然較低。此外，制備固體電解質(zhì)的高成本、電池循環(huán)所需的壓力設(shè)備都對全固態(tài)電池的規(guī)模化生產(chǎn)造成障礙。
為了更好的發(fā)展固態(tài)電池，德國吉森大學(xué)霍翰宇博士和Jürgen Janek教授在National Science Review上發(fā)表題為“Solid-state batteries: from 'all-solid' to 'almost-solid'”的展望文章，為未來固態(tài)電池的發(fā)展指明方向。
固液混合電池是介于固態(tài)電池和鋰離子電池之間的發(fā)展路線。例如，在聚合物電池中添加一定量的電解液，能夠形成具有促進離子傳輸?shù)哪z電解質(zhì)，目前已被廣泛使用。在無機電解質(zhì)電池中，電解液能夠填充空隙，增加界面接觸面積，從而降低電極內(nèi)部曲率和阻抗。然而，這種“半”、“準”或“偽”固態(tài)電池的設(shè)計通常也被統(tǒng)稱為“固態(tài)電池”，可能會造成一定的誤解。據(jù)推測，基于凝膠聚合物電解質(zhì)的固液混合電池，其含液量大概為10 wt%至15 wt%。然而，高安全性的目標只有在更小的含液量下才能實現(xiàn)（圖 1c）。本文提出“近乎固態(tài)”的概念，對應(yīng)含液量小于5 wt%的電池。并指出：即使是含液量為0%的全固態(tài)電池仍可能具有熱失控的風險，所以固態(tài)電池的安全性仍然需要深入評估。
圖1. 基于不同電解液含量的各種電池對比圖
在“近乎固態(tài)”的概念中，液體成分需僅作為界面潤濕劑而不承擔傳導(dǎo)離子的作用。而且，固/液界面需要化學(xué)穩(wěn)定，否則會發(fā)生界面副反應(yīng)，從而導(dǎo)致電池性能的衰減。由于氧化物和硫化物電解質(zhì)都和有機溶劑具有較強的反應(yīng)活性，因此利用小分子聚合物來替代傳統(tǒng)電解液可用來穩(wěn)定固/液界面。同時可以使用超濃電解質(zhì)或溶劑化離子液體，其中的鋰離子與極性溶劑之間的強相互作用能夠降低溶劑的活性，從而穩(wěn)定液/固界面。最近，原位聚合也被用來降低固液混合電池中的液體含量，然而其聚合程度還需更好的定量控制。
相比于“全固態(tài)”電池，“近乎固態(tài)”可能是最具可行性的固態(tài)電池發(fā)展策略。少量液體界面添加劑可以降低電極內(nèi)部阻抗、緩解接觸失效、并保持長期循環(huán)穩(wěn)定性。要從目前“半固態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖豕虘B(tài)”，需要更少的含液量（<5 wt%）。高離子電導(dǎo)率的液體電解液和固體電解質(zhì)（>10 mS cm-1）和相應(yīng)的固/液界面穩(wěn)定性都需要進一步探索。同時，需要通過優(yōu)化制造工藝和創(chuàng)新材料回收途徑來降低固態(tài)電池大規(guī)模生產(chǎn)的成本。我們有信心在不久的將來看到固態(tài)電池實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
