【會議報告】固體電解質助力高能量密度高安全鋰電池

近年來，伴隨新能源汽車及大規模儲能產業的快速發展，國家政策層面對于動力電池能量密度的提升導向愈發明確——《中國制造 2025》中指出：“到2025年、2030年，中國動力電池單體能量密度分別需達到400、500W·h/kg”。然而，上述指標已達到甚至超出當前液態鋰電池能量密度天花板，同時液態電解液易燃、易腐蝕和熱穩定性差等特性也會帶來高能量密度下突出的安全問題。采用固體電解質代替液態電解液的全固態鋰電池可從根本上解決安全隱患，且匹配高比容量正極和金屬鋰負極有望實現更高能量密度。

全固態鋰電池概述

全固態鋰電池相比液態電池最大的區別就是將液態電解質換成固體電解質，同時取消了隔膜部件。固體電解質是全固態鋰電池的核心部件之一，其性能的優劣直接關系到電池的電化學性能以及安全性。此外，全固態鋰電池負極可以使用鋰金屬取代石墨，與傳統的液態鋰電池相比可大大提升能量密度，而且不存在液態電解液易揮發、易燃的問題，具有較好的安全性。

全固態鋰電池基本組成結構示意圖

固體電解質分類

當前，固體電解質的研究主要集中在氧化物固體電解質、硫化物固體電解質和聚合物固體電解質。

不同固體電解質材料的性能

其中，氧化物型固體電解質和硫化物型固體電解質同屬于無機固體電解質，氧化物固體電解質由氧元素和金屬元素組成，可以適用更高的電壓，具有更高的熱穩定性，其離子電導率達1×10-3~1×10–4S/cm，目前被廣泛應用，但是容易在界面處形成接觸損失，孔隙率在3種類型的固體電解質中最大，因此在生產制造中需要對其共燒結以改善界面，生產工藝要求高。

硫化物固體電解質由硫元素和金屬元素組成，具有更高的離子電導率（1×10–2~1×10–4S/cm）以及較低的孔隙率，界面接觸良好，但是對空氣和水分敏感且生產成本較高。

聚合物固體電解質通常是在聚合物基體中添加鋰鹽組合而成，表現出適度的離子電導率（1×10–5S/cm），極片孔隙率低界面致密度提高，生產工藝相對簡單但是循環性能較差、工作溫度范圍較窄。

近年來也出現了固體復合電解質，其具有優異的機械強度與加工性，具有廣闊的應用前景。

小結

高能量密度且周期壽命長的鋰離子電池已應用于電動汽車、便攜式電子設備、可穿戴產品等各種儲能領域，由于固體電解質比液體電解質具有廣泛公認的安全優勢,全固態電池的商業應用已被廣泛設想。理想的固體電解質應具有與液體電解質相當的離子導電性、優良的安全性、合適的力學性能和與電極良好的接觸性。然而,得到一種兼具這些特性的電解質卻很難,因此固體電解質的研究面臨著各種問題。要實現固體電解質的商業化利用,必須克服科學和技術挑戰。首先,離子電導率仍然是評價固體電解質的先決條件。其次,了解各種電解質的共性和個體性,并提出機制,使其背后的科學現象合理化,指導進一步深入的研究。

針對固態電池相關的技術、材料、市場及產業等方面的問題，中國粉體網將在昆山舉辦第五屆高比能固態電池關鍵材料技術大會。為致力于固態電池技術開發的企業，科研院校，以及電動車、儲能、特種應用等終端企業提供信息交流的平臺，開展產、學、研合作，共同推動行業發展。屆時，青島大學郭向欣教授將作題為《固體電解質助力高能量密度高安全鋰電池》的報告。

專家簡介：

郭向欣，青島大學教授，博士生導師。青島市“高性能固體電解質與固態鋰電池”研究中心和山東省固態電池工程實驗室主任。入選上海市“浦江人才”、青島市“創業創新領軍人才”。主要從事于高性能固態電解質研發與全固態金屬電池應用研究，并參與行業最早的兩項固態電解質團體標準的制定和發布。近年主持、參與國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃和企業技術委托項目等10余項。前期研究已在高離子電導固態電解質設計、金屬/固態電解質界面微結構設計等關鍵領域取得了豐富的學術成果，近五年來在Nature communications, Energy & Environmental Science, ACS Energy Letters, Advanced Energy Materials, Nano Letters, Nano Energy等權威刊物發表論文60余篇，他引逾2000次。

參考來源：

1.郭向欣等.全固態鋰電池熱安全性研究進展

2.王春梅等.新型鋰離子固體電解質應用進展

3.鐘顏至等.鋰電池固體電解質合成方法、化學穩定性及離子電導率綜述

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