固態(tài)電池目前主要的技術線路包括: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:
通過上面各種技術線路對比,可以發(fā)現聚合物電解質雖然柔韌性好、質量輕、成本低、易于加工,但是其離子電導率比較低,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行使用,寧德時代之前發(fā)布的凝聚態(tài)電池是該技術線路上的一個產品。
除聚合物電解質外,氧化物電解質是目前產業(yè)化最快的技術路線,其電導率明顯高于聚合物,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,其制造成本、電化學性能方面較為均衡,缺點是電導率較低、且因脆性較大,機械加工能力較差,導致其界面接觸性一般。界面接觸是指電解質與正負極材料的接觸面相互作用和接觸的質量,良好的界面接觸性對于降低電池內阻、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)電解質填充,接觸面貼合效果較好;而氧化物電解質脆性大,難以與正負極材料進行較好的貼合,影響其性能。
硫化物電解質處于產業(yè)化的初期,其離子電導率是四種技術線路中最高的,發(fā)展?jié)摿ψ畲?,并且硫化物電解質機械性能較好,可以解決氧化物電解質界面接觸問題。
鹵化物電解質在離子電導率方面與氧化物電解質相近,但在界面接觸性和化學穩(wěn)定性上表現良好,目前處于科研層面。
從上述各技術路線的分析可以看出,硫化物電解質的發(fā)展?jié)摿薮?,但影響其產業(yè)化最大的問題就是成本較高。常見硫化物電解質有Li6PS5Cl、Li7P3S11、Li10GeP2S12、Li3PS4等,其原材料均含有Li2S,該材料的成本非常高,達到650美元/公斤,并且該材料在上述電解質占據30%以上比例,所以對電解質總體成本影響較大,致使硫化物電解質成本高于195美元/公斤,該價格超過了市場普遍認可的50美元/公斤商業(yè)化的成本閾值。
馬騁教授團隊通過規(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械球磨制備混合物,并在特定溫度下退火結晶,通過該團隊特定工藝最終制備出結構穩(wěn)定的LPSO材料,該材料的生產成本僅為14.42美元/公斤,該技術對于硫化物電解質商用提供了新的解決思路,并且該材料密度僅為1.7g/cm3,遠低于氧化物和鹵化物電解質,這對于提升材料的質量能量密度至關重要。
除此之外,固態(tài)電池負極兼容性也受到密切關注,因為固態(tài)電池一般采用鋰金屬作為負極,而鋰元素作為一種活潑金屬,電解質與負極鋰金屬兼容性較差的情況下,則易產生鋰枝晶以及不穩(wěn)定的SEI膜,從而造成負極鋰離子更大的損失以及更高的阻抗,這會進一步惡化離子導電性,最終影響電池性能。而LPSO材料則表現出良好的負極兼容性,它在于鋰金屬和硅基負極結合時,表現出良好的穩(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)電解質能夠同時滿足低成本、低密度以及良好的離子導電性三個特性。LPSO材料的低成本、低密度以及優(yōu)異的負極兼容性使其成為非常有競爭力的新配方。唯一不足的是,該材料的離子電導率未完全達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到長程有序的晶格化排列,影響鋰離子的電導率。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。從長遠來看,該技術問題是可以完全攻克的,因此從產業(yè)化最關注的成本角度來看,在LPSO材料未來提升電導率和循環(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)電解質之一,因為LPSO在保持了各項優(yōu)異的性能的前提下,實現了成本的大幅下降,這無疑是突破性的進展。
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