【原】【星盈科技?動(dòng)力電池】雷洪鈞博士觀點(diǎn) | 聚合物固態(tài)鋰電池是高比能量、高安全性的動(dòng)力電池

起點(diǎn)鋰電大數(shù)據(jù) 2021-04-15

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摘要：聚合物固態(tài)鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子基本是相同的，電池的工作原理也基本一致。

2019年11月18-20日，由中共寧鄉(xiāng)市委、寧鄉(xiāng)市人民政府主辦，寧鄉(xiāng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理委員會(huì)、寧鄉(xiāng)市委統(tǒng)戰(zhàn)部承辦的第5屆中國(guó)（寧鄉(xiāng)）新能源企業(yè)家年度峰會(huì)暨固態(tài)電池技術(shù)論壇在長(zhǎng)沙寧鄉(xiāng)舉行。筆者在現(xiàn)場(chǎng)聆聽(tīng)了中南大學(xué)、加拿大NRC國(guó)立學(xué)院教授張永柱作《電動(dòng)汽車安全固態(tài)電池技術(shù)路線圖》主題演講，體會(huì)如下：

一、動(dòng)力電池高比能量、高安全性的含義

動(dòng)力電池高比能量的基本含義是單體電池比能量高于350wh/kg，高安全性的含義是電池不會(huì)發(fā)生自燃。目前三元鋰電池（811）比能量已經(jīng)實(shí)現(xiàn)304wh/kg，但是從機(jī)理上，依然有自燃的可能。基本理由是三元鋰電池（811）的電解質(zhì)是有機(jī)液體的。其中“有機(jī)”物耐熱性一般在150度以下，而正負(fù)極短路后，往往會(huì)超過(guò)的這個(gè)限定值。聚合物固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)不是有機(jī)液體的，所以說(shuō)他是高安全的。

二、固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池的差異

聚合物固態(tài)鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子基本是相同的，電池的工作原理也基本一致。（如圖1所示）

根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池(lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IB)和聚合物鋰離子電池(polymer lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IP)兩大類。

固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池都是鋰電池。其差異體現(xiàn)在電解質(zhì)上，固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料包括固態(tài)電解質(zhì)，活性物質(zhì)，以及導(dǎo)電劑等等。聚合物鋰離子電池可分為三類：

(a)固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物，這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率低，適于高溫使用。

(b)凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑，從而提高離子電導(dǎo)率，使電池可在常溫下使用。

(c)聚合物正極材料的鋰離子電池。采用導(dǎo)電聚合物作為正極材料，其比能量是現(xiàn)有鋰離子電池的3倍。

液態(tài)含量是從25%逐步降到?jīng)]有任何液態(tài)殘留。主要的核心是電解質(zhì)材料決定了固態(tài)鋰電池的各項(xiàng)參數(shù)，功率密度、循環(huán)密度、循環(huán)使用效率。

三、固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料，如圖1所示

四、聚合物固態(tài)鋰電池的比較優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

表1 固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰離子電池比較

所以說(shuō)，鑒于安全和能量密度上的優(yōu)勢(shì)，固態(tài)電池已成為未來(lái)鋰電池發(fā)展的必經(jīng)之路。其基本目標(biāo)：

(a)2020 年高鎳正極+準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負(fù)極實(shí)現(xiàn) 300 Wh/Kg;

(b)2025 年富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負(fù)極電池 400 Wh/Kg;

五、聚合物的分類、生產(chǎn)方法、指標(biāo)、用途

聚合物又稱加聚物，通俗理解是分子級(jí)別的化合物。是由一種單體經(jīng)聚合反應(yīng)而成的產(chǎn)物。分子量低的稱低聚物，如三聚甲醛等（如圖2所示。分子量高的，達(dá)幾千甚至幾百萬(wàn)的高聚物或高分子化合物。

1.聚合物分類

高聚物有天然產(chǎn)物和人工合成的兩類。天然高聚物，如蛋白質(zhì)(如圖3所示）是氨基酸的聚合物、淀粉和纖維素是環(huán)狀多羥基的聚合物(糖類)等，又稱生物高聚物。

2.聚合物生產(chǎn)方法

根據(jù)使用要求不同，可采用不同的聚合方法。

a)有本體聚合(包括熔融聚合，是單體在引發(fā)劑或光、熱、輻射作用下，一般不加其他介質(zhì)進(jìn)行的聚合)

b)溶液聚合(單體、引發(fā)劑溶于適當(dāng)溶液中的聚合)

c)乳液聚合 (在攪拌和乳化劑作用下，使單體分散在水中呈乳狀液進(jìn)行聚合)

d)懸浮聚合(在攪拌和分散劑作用下，單體分散成單體液滴，懸浮于水進(jìn)行聚合)等，

3.聚合物基本指標(biāo)

聚合物基本指標(biāo)主要有：強(qiáng)度、硬度、耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性、耐溶劑性、透光性、氣密性、電絕緣性等。聚合物的密度小，比同體積的鋼鐵小得多; 有的具有導(dǎo)電性、磁性，有的耐高溫、耐低溫、耐輻射; 有的有良好的氣密性、透光性等。

4..聚合物的用途

聚合物廣泛用于醫(yī)療、導(dǎo)電、耐熱、建筑、包裝材料、塑料等方面。

六、總結(jié)

人類利用能源發(fā)展的基本軌跡是，開(kāi)始是固體能源、接下來(lái)是液體能源、再往下是氣體能源。實(shí)踐證明，能源最佳能源形式是電能，也就是說(shuō)，固體能源（如煤）、液體能源（汽柴油）、氣體能源（天然氣）最好形式發(fā)電，供終端用戶使用。而對(duì)汽車而已，要使用電能，必須發(fā)展高比能量、高安全性的動(dòng)力電池。

一句話，聚合物固態(tài)鋰電池發(fā)展是必然的。汽車必須電動(dòng)化，一定能夠做到純電動(dòng)化。