聚合物锂电池的发展终点是锂固体电池.doc

聚合物锂电池的发展终点是锂固体电池目前市场上的聚合物电池:聚合物电池由高分子材料和金属材料合成,具备小型化、轻量化、高容量的特点,厚度超薄,主要优势在平板电脑,及未来的消费电子。国外使用的电解液是聚合物电解液,国内都是软包的液体电解液的电池,国外称之为软包聚合物电池。优点:漏液的可能性比较小,外包装可以用laminate软包材质,有利于实现电池的薄膜化,电池的形状设计方面自由度大,能量密度也大大提高。缺点:由于使用凝胶状电解液,锂离子传导性能比较差,需要较长时间的充电,倍率性上比液体电解液也要差一些。但目前技术,经过聚合过程的改善,高端电解液和添加剂使得循环寿命和放电的倍率性提高的很快,跟液体电池没有太多差异。2.聚合物电池之后的技术发展方向:全固体电池、固体电解质材料与添加剂。目前聚合物电池性能上还没达到固体电池的水平,固体电池能量密度未来的目标:400Wh/kg,3000次循环寿命(10年),倍率性能、容量与安全性有大幅度提高。新电池材料探索在于不容易挥发,阻燃性的下一代电解质材料及添加剂离子电解液提高电化学性、热稳定性,添加剂使得电池散热性能及导电性能不受固体影响，达到或超过液体电解质的导电导热水平。为了向固体锂离子电池进军，目前业内正在开发采用离子传导性聚合物和陶瓷的固体高分子电解质。但是，固体高分子电解质材料采用目前离子传导率最高的聚乙烯类（Polyethylene oxide，聚环氧乙烷）聚合物的话，阴离子的离子传导会阻碍锂离子的移动，所以导致影响输出功率的实效性，锂离子传导率的数值较低。日本科学家开发成功的固体高分子电解质是一种聚乙二醇（Polyethylene glycol）酸脂化合物，形成了以不阻碍聚乙烯类聚合物运动的硼酸脂化合物的形式导入具有固定阴离子功能的硼原子的构造。与此前一直研究的碳酸类聚合物相比，可在室温（20）条件下达到3倍以上的实效性锂离子传导率。今后，将致力于利用该固体高分子降低成本以及通过提高锂离子传导率实现小型化和高输出功率，争取早日实现不使用电解液、高安全性的锂固体充电电池。采用固态电解质的的大容量新一代电池，即所谓“全固态电池”近来开始受到瞩目。这是由于其在能量密度提高的同时，还可望确保安全性和实现长寿命化电动车和定置式用大型锂离子充电电池而言，保证安全是最重要的。并且，希望长寿命化的呼声也很高，许多电池使用者希望“锂离子充电电池采用固体电解质”。而在便携设备市场上，业者们似在考虑使用固态电解质来开发能量密度超过300Wh/kg的未来型锂离子充电电池。采用有机电解液的传统锂离子充电电池，因有过度充电、内部短路等异常时可能导致电解液发热，有自燃或甚至爆炸的危险。而将有机电解液代之以固态电解质的全固态电池，其安全性可大幅提高。并且，因在理想状态下，固态时锂的扩散速度（离子传导率）较液体电解液时高，理论上认为其可实现更高的输出。并且，固态电池包括其制造方式在内，可能会实现突破现有电池概念的特性。例如，因不必封入液体，则电池外装可以简化，从而能以卷对卷（roll-to-roll）方式制造大面积单元。进一步，还可将数层电极层积，并在单元内串联，制作12V或24V的大电压单元等，使此前不可能的电池得以实现。实际上，电池相关学会也称，近年来关于固态电池的论文数目在增加。其中最有兴趣的积极参与者是丰田汽车公司。近1、2年，其以将来适用于车载的电池为目标的论文大幅增加。对固态电池抱有强烈兴趣的，并非只有一家公司。迄今已有过许多小型固态电池的试制品，并已在心脏起搏器（pacemaker）上实现了商业化。只是此前的开发一直以非常小的薄型电池为中心。然而，近来车载及定置蓄电用途采用固体大型电池的可能性一直都在提高。所有这一切的背景是，电动车和定置式蓄电用大型电池和超大型锂电池，而非迄今为止的主流便携设备用的小型电池的需求激增，因此要求电池特性的改变，使得研发方向发生重大改变。特别是对电池的安全性与使用寿命，有比现有的锂离子充电电池更加严格的要求。其中，安全性自不待言，固态电池有明显优势；而在延长使用寿命方面，“固态电池的周期寿命特性原本就优异”。耐高电压：除了比目前的锂离子充电电池更安全与使用寿命更长，提高能量密度也是固态电池的一个开发主题。使固态电池具有可增加能量密度特征的理由之一是固体电解质电位窗（potential window*）的宽广度。而现有传统的有机电解液，当电池电压接近4V时电解液就开始分解，因此很难提高电池的电压上限。电位窗（Potential window）：由溶剂和盐组成的电解液不出现氧化还原反应的电压范围。取决于溶剂、盐与电极材料。目前，为提高容量，锂离子充电电池的负极正准备变更为电流容能高的硅等材料。与负极相应的高容量正极材料虽同样重要，但尚未发现有望支持更高电流容量的正极材料。因此，在正极材料方面，将利用电流容量不变，而以高电压来增加能量密度的所谓“5V”正极材料作为了目标。但即使采用5V电压型正极材料，传统的有机电解液还是会分解，电池的电压还是不能提高。而使用具有更宽广电位窗的固态电解质，便可令5V正极成为可行的解答。因固态电解质是固体，当电极材料与电解质间的界面发生反应时，其进一步反应难以进行，比有机电解液难分解，因而电位窗高。并且，固态电解质对作为锂聚合物充电电池而受到关注的硫化锂（Li-S）*与锂空气（Li-air）*电池等的下一代电池的实现，似将发挥重要的作用。硫化锂电池使用硫（S）类材料为正极，若使用有机电解液，硫会溶解于其中。如能利用固态电解质，则这个问题就不存在了。注：硫化锂电池（Li-S battery）：正极为硫，负极为金属锂的充电电池。因硫的理论容量高达1672mAh/g，即硫化锂电池的理论能量密度可为约2600Wh/kg。注：锂空气电池：因利用大气中的氧气为正极，所以单位质量及体积的能