全固态锂电池研究进展-任耀宇

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1、www.kjdb.org科技导报2017，35（8）全固态锂电池研究进展任耀宇马里兰大学能源研究中心，美国马里兰州大学公园市20740摘要电动汽车、大规模储能和微型器件等领域的发展要求不断提高现有二次电池的能量密度、功率密度、工作温度范围和安全性。全固态锂电池作为最具潜力的电化学储能装置，近年来受到广泛关注。本文阐述了全固态锂电池的优点，即固态电解质的使用有助于提高锂电池安全性、能量密度和功率密度，拓宽电池工作温度范围和应用领域；指出了作为全固态电池关键材料的固态电解质应满足的要求，并在此基础上分别讨论了聚合物电解质和无机固态电解质

2、（特别是硫化物和氧化物）的优缺点；介绍了固态锂电池的3种结构类型，即薄膜型、3D薄膜型和体型，综述了全固态锂电池从薄膜型向体型发展的历史进程及现状，并在此基础上讨论了全固态电池最终实现安全性、高能量密度和功率密度仍需解决的固态电解质材料方面问题。关键词全固态；锂电池；固态电解质；电化学储能随着能源危机和环境污染问题的日益突显，人们对清洁、可再生能源的需求越来越迫切。实际应用中，太阳能、风能、水力等可再生能源需要被转化为电能等二次能源才能广泛被人们加以利用。为解决这类自然可再生能源与电力需求在时空分布上的不匹配问题，储能技术的发展必不

3、可少。在众多储能技术中，电化学储能技术，即电池的使用受到人们越来越多的关注。电池储能具有高效、规模可调的特点，既可整合于电力系统作为能量储存单元，起到对电网削峰填[1]谷的作用，提高电网运行的可靠性和稳定性，也可用于移动通讯、新能源汽车等领域，为人类生活质量的提高提供源源[2]不断的能量支持。二次电池的发展经历了从早期的铅酸电池，到后来的镍图1主要电化学储能电池比能量及用于电动车续航里程镉、镍氢电池，再到现在已商用化的二次锂离子电池和用于比较[2]电网储能的钠-硫电池等。锂电池以锂元素作为能量输运Fig.1Comparisonoft

4、hespecificenergyanddistance和存储介质，锂元素质轻（金属锂摩尔质量为6.94g/mol，是自perchargeamongmajorelectrochemicalenergy+然界存在的固态元素中最轻的）和氧化还原电位低（Li/Li相storagebatteries对于标准氢电极的标准氧化还原电位为-3.04V，在所有标准氧化还原电对中最低）的特点，使锂离子电池可获得比其他目前商业化的锂电池以石墨作为负极，正极采用可嵌入/类型电池更高的输出电压和能量密度（图1）[3]。因此，自1991脱出锂离子的氧化物材料结

5、构，如LiCoO2等，电解质为溶有年索尼公司推出第一款商用二次锂离子电池以来，锂电池在锂盐的有机溶液，锂元素在整个电池中以离子形式存在，故全球范围内迅速普及，成为许多便携式电子产品首选的电源被称为锂离子电池（图2（a））。锂离子电池显著削弱了以锂类型。近年来，伴随着电动汽车的兴起，以及可再生能源发为工作介质的优势，可以认为是一种过渡产品。为进一步扩电对大规模储能装置的迫切需求，锂电池的研究再度升温，大锂电池的能量密度，研究一方面着力于探索抑制锂枝晶生开发安全、大容量、大功率和长寿命的二次锂电池成为焦点。长的方法，使锂金属作为负极成为

6、可能；另一方面则集中于收稿日期：2017-03-08；修回日期：2017-03-30作者简介：任耀宇，博士，研究方向为固态锂电池和燃料电池技术研发，电子信箱：yroneal@gmail.com引用格式：任耀宇.全固态锂电池研究进展[J].科技导报,2017,35(8):26-36;doi:10.3981/j.issn.1000-7857.2017.08.00326科技导报2017，35（8）www.kjdb.org获得更高容量或电极电势的正极材料。例如，以单质硫或者2）固态电池有望获得更高的能量密度。能量密度是比氧气作为正极，利用二

7、者超高的单位质量储锂能力（每克硫容量和电池电压的乘积。固态电解质比有机电解液普遍具1672mA·h；每克氧气3862mA·h），可以显著提升电池的容有更宽的电化学窗口，有利于进一步拓宽电池的电压范围。量。这样形成的锂电池又分别称为锂-硫电池和锂-氧气（空在发展大容量电极方面，固态电解质能阻止锂枝晶的生长，[3]气）电池（图2（b））。因而也就从根本上避免了电池的短路现象，使金属锂用作负极成为可能。对于锂-硫电池，固态电解质可阻止多硫化物的迁移。对于锂-空气电池，固态电解质可以防止氧气迁移至负极侧消耗金属锂负极。3）固态电池有望获得更

8、高的功率密度。固态电解质以锂离子作为单一载流子，不存在浓差极化，因而可工作在大电流条件，提高电池的功率密度。4）固态材料内在的高低温稳定性，为全固态电池工作在更宽的温度范围提供了基本保证。5）固态电池还具有结构紧凑、规模可调、设计弹性