全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展

＊孔東波

（河南省法恩萊特新能源科技有限公司 河南 454000）

就當(dāng)今時(shí)代的情況來看，世界上各個(gè)國家多半都在面臨著能源危機(jī)帶來的影響，與此同時(shí)，環(huán)境污染的問題也越來越嚴(yán)重，基于這樣的一種情況，人類活動(dòng)越來越需要使用相應(yīng)的環(huán)保能源或者是能夠再生的能源。而事實(shí)上，在對(duì)于太陽能以及風(fēng)能或者水電的使用當(dāng)中，這些能夠進(jìn)行再生的能源，需要進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)變?yōu)槎文茉粗?，產(chǎn)生電力，才能夠較為廣泛的進(jìn)行使用。電池具有高效、可調(diào)的特點(diǎn)，可以作為儲(chǔ)能單元集成到電網(wǎng)中，填充電網(wǎng)峰值，與此同時(shí)，能夠行之有效的加強(qiáng)整個(gè)電網(wǎng)的具體運(yùn)行速度，或者是確保整個(gè)移動(dòng)通信過程當(dāng)中，具有相當(dāng)?shù)陌踩砸约胺€(wěn)定性。與此同時(shí)，這種能源的利用，可以被使用在新能源的汽車之中，可以有效的保障人們?cè)谌粘５纳町?dāng)中的使用，出行使用的是能夠不斷進(jìn)行再生的能源。

1.全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)

鋰離子電池是化學(xué)儲(chǔ)能最具創(chuàng)新性的手段之一，雖然其產(chǎn)生和應(yīng)用時(shí)間不長，但考慮到鋰離子電池的整體壽命較長、其質(zhì)量要更輕便，同時(shí)能夠具有更大的功率的特點(diǎn)，能夠很好的被選擇使用在具體的儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中去，這種能源已經(jīng)是目前整個(gè)行業(yè)當(dāng)中具有一定強(qiáng)度競(jìng)爭(zhēng)力的主要技術(shù)手段。在進(jìn)行了驗(yàn)證之后，研究發(fā)現(xiàn)，這種技術(shù)能夠?yàn)橹T多進(jìn)行生產(chǎn)鋰離子電池的企業(yè)進(jìn)行技術(shù)上的幫助，同時(shí)由于鋰離子構(gòu)成的電池，擁有著不錯(cuò)的裝換效率，同時(shí)進(jìn)行維修護(hù)理也十分的便捷，由于技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，以及電池管理體系的完善，有效解決了大規(guī)模綜合應(yīng)用問題，開發(fā)了一種新技術(shù)，通過合理的電力系統(tǒng)頻率范圍和對(duì)準(zhǔn)，在調(diào)壓模式下應(yīng)用，創(chuàng)造出理想的化學(xué)儲(chǔ)能能源，保證新能源的運(yùn)行質(zhì)量。所有固態(tài)鋰電池都用于正負(fù)電解質(zhì)，它們是由固體材料制成的二次鋰電池，因此稱為全固態(tài)二次鋰電池。在二十世紀(jì)中葉到現(xiàn)在為止，全固態(tài)鋰電池具有了相應(yīng)的發(fā)展以及提升，它能夠比傳統(tǒng)的電池更加便捷的進(jìn)行研究與開發(fā)，同時(shí)由于其中有著固體電解質(zhì)，所以它不僅起到鋰離子導(dǎo)體的作用，而且起到分離器的作用，這意味著全固態(tài)鋰電池不需要分離器、電解質(zhì)或電解質(zhì)。PVC與鹽電解質(zhì)的結(jié)合大大縮短了電池的設(shè)計(jì)階段。

同以往的電池進(jìn)行比較，作為二次電池的鋰離子電池，能夠很好的被大范圍使用在電子以及相關(guān)的通信事業(yè)之中，同時(shí)也能夠很好地幫助電力運(yùn)行的汽車進(jìn)行發(fā)展，有著十分不錯(cuò)的未來。然而，傳統(tǒng)鋰離子電池的發(fā)展受到可燃性等安全問題的制約，有機(jī)電解質(zhì)的腐蝕性和弱熱穩(wěn)定性被認(rèn)為是完全消除的。

全固態(tài)鋰電池除了具有溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：鋰離子電池含有固體材料，同時(shí)有著十分不錯(cuò)的封裝效率，并且能夠大范圍的使用在進(jìn)行編程薄膜元件以及柔性元件上面，同時(shí)也能夠在醫(yī)療器械上的使用，這種電池能夠進(jìn)行多層次的串聯(lián)，可以很好地提高電壓水平。

2.全固態(tài)電解質(zhì)材料

全固態(tài)鋰電池，其主要構(gòu)成的電解質(zhì)能夠包括下列兩種：有機(jī)的聚合物以及無機(jī)的固體。其中有機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要是它更加具有安全性能，可制成多種形式，蒸汽軋制法還可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，制備更容易；電極溫度范圍窄，電極與電解液的界面不夠穩(wěn)定，力學(xué)性能得不到保持，與此同時(shí)，聚合物當(dāng)中的固體電解質(zhì)極容易產(chǎn)生結(jié)晶的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要是由于整個(gè)界面的化學(xué)反應(yīng)以及部分位置產(chǎn)生溫度變化的影響，整個(gè)電解質(zhì)產(chǎn)生改變，從而使得界面的電阻增大，最終出現(xiàn)斷開問題。對(duì)于無極的固體電解質(zhì)，其擁有著容易蒸發(fā)、機(jī)械強(qiáng)度高、不泄漏、不易燃、耐溫性好等優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，這種擁有著無機(jī)固體電解質(zhì)性能的電池，主要是在相應(yīng)的無機(jī)材料當(dāng)中進(jìn)行收集從而制作的，具有明顯的循環(huán)性能和儲(chǔ)存時(shí)間優(yōu)勢(shì)，這是各類微電子電池的首選電源。

3.全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展

（1）薄膜全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展。結(jié)合現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)和大量的文獻(xiàn)，我們可以看到鋰薄膜元件只是以薄膜的形式制造在電子基板上，然后用單個(gè)電池進(jìn)行封裝。由于鋰在薄膜上的制備，最重要和技術(shù)上需要的元素是制造單片薄膜的過程，它包括電解質(zhì)、集電器和負(fù)極。鋰電池通常采用負(fù)電極，采用真空氣相沉積技術(shù)，對(duì)于電解質(zhì)和正電子，必須使用氧化物，其次是化學(xué)沉積和靜電霧化，使用rf磁控濺射和rf濺射分別制備薄膜。現(xiàn)在，制備全固體膜的離子電池的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)。但這種蓄電池的能量有限，應(yīng)用也有限?，F(xiàn)在主要用于智能電源卡、室內(nèi)醫(yī)療機(jī)器、傳感器等領(lǐng)域。

（2）大容量聚合物全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展。聚合物電解質(zhì)材料因其易成膜、性能穩(wěn)定、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。例如，石墨用作負(fù)極，聚酯材料為固體電解質(zhì)；無機(jī)材料被包裝在活性材料的表面上，以防止正極材料與固體電解質(zhì)的表面形成連接。固態(tài)鋰電池是由鈦鋰、硅負(fù)極、聚氧乙烯和磷酸鐵鋰組成，全固態(tài)鋰電池以電子紙的形式被設(shè)計(jì)成柔性電路和太陽能電池板。

（3）大容量無機(jī)全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展。在無機(jī)、全固態(tài)鋰電池的初期設(shè)計(jì)階段，將重點(diǎn)放在電池的能量消耗和電力的提高上。主要是因?yàn)楣腆w元素本身需要無機(jī)固體材料，提高電池的能量和容量有助于提高電池的安全性。隨著研究的深入，固體電池的開發(fā)轉(zhuǎn)向了固體電池的使用。豐田汽車開發(fā)的固體電解液的正負(fù)特性中含有石墨、硫、鎳、鎳等化合物。電解質(zhì)和鈷鋰電池中，充電后的平均充電電壓為16.40V，電池輸出電壓約為16.26V。需要注意的是，固體電極表面與電解液之間的相互作用可能隨正極材料的變化而變化。

（4）正極/固體電解質(zhì)界面研究進(jìn)展。氧化陰極材料通常是高熱量導(dǎo)體的混合物，固態(tài)電解硫化物是唯一的鋰離子導(dǎo)體。當(dāng)氧化陽極材料接觸硫化物固體電解質(zhì)時(shí)，當(dāng)鋰離子之間的化學(xué)活性不明顯匹配時(shí)，鋰離子從硫化物的固體電解液轉(zhuǎn)移到氧化物正極材料，電極和電解液同時(shí)形成宇宙電荷。如果需要進(jìn)行對(duì)于硫化氫電解方向的平衡鋰離子時(shí)，沿著直線持續(xù)移動(dòng)，形成宇宙電荷。它最終被用于電解質(zhì)方面的損失，導(dǎo)致非常明顯的相間電阻。空間中高電阻電荷層的形成大大降低了界面鋰離子的遷移動(dòng)力學(xué)。

此外，當(dāng)填充鋰電池的電極體積時(shí)，它們的相互傳播和變化有效地抑制了固體電解質(zhì)中的空間電荷，降低了邊界電阻，提高了固體中的高放電頻率。在固體鋰電池中，復(fù)合電極通常由活性材料、固體電解質(zhì)、導(dǎo)電材料構(gòu)成。

（5）固體電解質(zhì)的晶界研究進(jìn)展。有機(jī)固體電解質(zhì)分為結(jié)晶電解質(zhì)和非晶電解質(zhì)，它由有機(jī)固體電解質(zhì)構(gòu)成。無機(jī)固體電解液由鋁2O3-Li等水培和絕緣體組成，無機(jī)固體電解液主要由氧化玻璃制成，硫化物和電解質(zhì)的組成影響電解質(zhì)的導(dǎo)電性。一般來說，邊界電阻決定了電解液的總導(dǎo)電性、邊界電阻和增強(qiáng)性。結(jié)果表明，該材料具有高密度、高導(dǎo)電性，降低了電解液的總導(dǎo)電性，減少了顆粒數(shù)量。提高固體電解液顆粒密度是提高電解液內(nèi)阻、提高電導(dǎo)率的重要途徑。結(jié)果表明，復(fù)合電解質(zhì)中的氧化物含量對(duì)材料的活性無影響。尺寸和范圍不影響所有這些材料的導(dǎo)電性。然而，制備可能會(huì)影響材料的活性和導(dǎo)電性。有機(jī)固體中的電解質(zhì)層與室溫下的強(qiáng)同位素之間的反應(yīng)一般，離子降低了電解質(zhì)的電阻，加工后增加導(dǎo)電性。

4.全固態(tài)鋰電池目前存在的問題

目前，國內(nèi)外的主要問題是無法進(jìn)行較大產(chǎn)量的材料準(zhǔn)備，目前來看技術(shù)問題是無法解決的。我們所能做的就是利用先進(jìn)技術(shù)降低研究和系統(tǒng)成本，不斷改進(jìn)和優(yōu)化綜合技術(shù)，發(fā)展新技術(shù)，研究化學(xué)和能源電解質(zhì)和電極的強(qiáng)化和反應(yīng)。就目前來看，主要有下列幾點(diǎn)問題：

（1）無機(jī)電池、全固態(tài)鋰元素的科學(xué)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)；

（2）電解液或陽極界面的控制與優(yōu)化是主要問題；

（3）制備了無機(jī)鋰固體電解質(zhì)材料。

比如，無機(jī)和全固態(tài)鋰電池的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)需要從結(jié)構(gòu)性能的角度考慮，這些電池比液態(tài)鋰離子電池簡(jiǎn)單，但需要獨(dú)立設(shè)計(jì)和優(yōu)化，最終，滿足鋰電池的制備要求。為了提高整個(gè)電池的能耗，必須考慮其高功率。但雖然有一些常用的制備技術(shù)，如無機(jī)、全固態(tài)大容量鋰電池，但該技術(shù)不僅是制備電池的好方法，而且是提高電池效率的好方法，還有鈉、硫、氧化物燃料電池等技術(shù)，從安全性評(píng)價(jià)和新界面等方面，對(duì)各單元在工作溫度下的熱膨脹系數(shù)、電解液與電解液燒結(jié)過程的相互作用以及存在的問題進(jìn)行了探討。

5.結(jié)束語

綜上所述，目前對(duì)于全固態(tài)鋰電池的研究歷程是較為平緩的，其主要的使用范圍也有了一定程度的增加，隨著技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于這種鋰電池的具體技術(shù)研究成果也在不斷的加深。雖然所有的固態(tài)鋰電池性能都比較安全，周期長，但有望應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域，但是由于電解質(zhì)以及相應(yīng)的電極界面，具有一定的相容性質(zhì)以及平穩(wěn)的性質(zhì)，因此這兩種性質(zhì)的存在將對(duì)于全固態(tài)鋰電池的研究進(jìn)度產(chǎn)生嚴(yán)重拖延。所以，在對(duì)于全固態(tài)鋰電的具體使用過程當(dāng)中，應(yīng)該進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化邊界電阻設(shè)計(jì)，并且在其中添加進(jìn)去一定量的導(dǎo)電層，以期能夠較少或者抹除其由于電荷空間層產(chǎn)生的種種不利影響，有效的避免邊界層的生產(chǎn)，降低結(jié)阻抗是未來全固態(tài)鋰電池的常見問題。