《储能材料与器件分析测试技术》课件-固态电池

知识拓展固态电池01固态电池定义02固态电池的工作原理及优势03固态电池和液态制造工艺对比04固态电池产业链及应用场景05固态电池面临的难点和挑战01固态电池定义一、固态电池定义?什么是固态电池？传统锂离子电池包括正极、负极、电解液、隔膜四大组成部分，固态电池将电解液换成固态电解质。按照固态电解质用量可分为半固态、准固态以及全固态电池，它们都可以笼统地统称为固态电池，而区别是它们的液体含量分别是5-10wt%、0-5wt%、0wt%。固态电池较之传统锂离子电池，关键区别在于电解质由液体变为固体，兼顾安全性、高能量密度等性能。锂离子电池全固态电池02固态电池的工作原理及优势锂离子固态电池的工作原理和液态锂离子电池相似，是“摇椅式”工作原理，锂离子在电池正负极间不断往返。在充电过程中，正极材料中的活性物质在发生电化学氧化反应，锂离子从正极脱出，通过电解质传输到负极和电子相结合产生嵌锂反应。放电过程则与充电过程相反。锂离子电池的正极材料通常是镍钴锰酸锂、磷酸铁锂等嵌锂材料；负极材料则是石墨或锂金属，以将Li+保存在石墨层中或者沉积在锂金属上。固态电解质是连接正负极的桥梁，是固态锂离子电池至关重要的部分。固态电池工作原理二、固态电池的工作原理及优势

正极反应

负极反应二、固态电池的工作原理及优势固态电池的优势01安全性高全固态锂电池采用固体电解质，固体电解质一般由有机、无机化合物合成，熔点、沸点均较高，大部分材料不可燃。同时，固体电解质薄膜致密无孔，机械强度较高，有效抑制负极锂枝晶刺穿造成短路的问题。02能量密度高金属锂比容量高，接近石墨负极的10倍，金属锂即使只发挥出50%的有效容量，也远高于石墨和硅基负极。二、固态电池的工作原理及优势固态电池的优势03应用温度范围宽固体电解质的分解温度普遍较高，聚合物有机固体电解质一般使用温度超过150℃，无机固体电解质最高温度有望提升到300℃，这拓宽了锂电池在高温领域的应用。04设计多样化由于电解液具有流动性，在电池的外部形态、内部结构设计方面，都会受到一定的限制。固体电解质减少了注液的步骤，制备工艺简化，电池设计多样化。二、固态电池的工作原理及优势03固态电池和液态电池制造工艺对比固态电池和液态制造工艺对比固态电池生产工艺与液态电池在制造工艺上具有诸多相似性，如电极极片的制造过程都是基于浆料混合、涂布和延压，分切完成后进行极耳焊接、PACK（电池包加工成组）。固态电池和液态制造工艺核心区别如下：最核心的区别有三点固态电池正极材料复合化，即固态电解质与正极活性物质的混合体作为复合正极；电解质添加方式不同，液态电池是在极耳焊接后将电解液注入电池内并进行封装，而固态电解质除了与正极活性物质形成复合正极外，还需要在延压完成的复合正极上再进行一次涂布；液态锂离子电池极片可用卷绕或者叠片的方式组合，而固态电池由于其固态电解质如氧化物和硫化物韧性较差，通常使用叠片形式封装。三、固态电池和液态制造工艺对比固态电池和液态制造工艺对比浆料混合浆料混合涂布涂布延压延压分切分切叠片/卷绕极耳焊接注液封装化成质检正极石墨负极液态电解质液态电池制造工艺路线锂金属负极固态电解质复合正极挤出浆料混合浆料混合延压涂布延压分切涂布干燥延压分切叠片挤压极耳焊接封装化成质检固态电池制造工艺路线固态电解质三、固态电池和液态制造工艺对比固态电解质核心工艺在于成膜，可分为干法、湿法和其他工艺固态电池的制造，核心工艺在于固态电解质成膜环节，电解质的成膜工艺会影响电解质厚度及相关性能，厚度偏薄，会导致其机械性能相对较差，容易引发破损和内部短路，偏厚则内阻增加，降低电池单体和系统的能量密度。干法成膜工艺将电解质与粘接剂混合后研磨分散，对分散后的混合物进行加压（加热）制备获得固态电解质膜，该方法不使用溶剂，无溶剂残留，干法的缺点在于电解质膜相对较厚，由于其内部不含活性物质，会降低固态电池的能量密度。缺点：电解质膜较厚，可能降低全固态电池的能量密度。三、固态电池和液态制造工艺对比湿法成膜工艺模具支撑成膜，适用于聚合物和复合电解质，将固体电解质溶液倒入模具，溶剂蒸发后获得固态电解质膜；正极支撑成膜，适用于无机和复合电解质膜，即将固体电解质溶液直接浇在正极表面，溶剂蒸发后，在正极表面形成固体电解质膜；骨架支撑成膜，适用于复合电解质膜，将电解质溶液注入骨架中，溶剂蒸发后，形成具有骨架支撑的固态电解质膜，能够提升电解质膜的机械强度。缺点：溶剂可能有毒性，成本高，残留溶剂降低固态电解质的离子电导率。其他成膜工艺包括化学、物理、电化学气相沉积等方法。此类工艺成本较高，适合于薄膜型全固态电池。三、固态电池和液态制造工艺对比04固态电池的工作原理及优势固态电池产业链固态电池产业链固态电池产业链上游为基础材料及设备，包括原料矿产，正负极材料、电解质等电芯原材料，以及电池生产设备等；中游为电池包加工制备，包括电池封装集成、电源管理系统、能量管理系统等方案设计；下游为应用领域，包括新能源汽车、消费电子、储能、电动工具等。四、固态电池产业链及应用场景固态电池应用场景01储能系统用于电力系统调峰填谷，提升风电、光伏等可再生能源并网稳定性，降低弃电率。​电网级储能为工厂、商场等场所提供备用电源，通过错峰用电降低运营成本，保障电力供应安全。​工商业储能与家庭光伏系统结合，实现能源自给自足，减少对传统电网依赖，提升用电经济性。​户用储能四、固态电池产业链及应用场景固态电池应用场景02新能源汽车固态电池凭借高能量密度优势，推动电动汽车续航突破1000公里。丰田计划2027年量产搭载固态电池车型；宁德时代、比亚迪等企业加速布局，预计2027年装车续航可达1200公里，且充电时间缩短至10分钟。​四、固态电池产业链及应用场景固态电池应用场景03消费电子高能量密度特性使智能手机续航提升3倍、体积缩小50%。三星、华为等厂商聚焦柔性固态电池研发，计划2027年率先应用于折叠屏设备；同步拓展至笔记本电脑、AI眼镜、智能穿戴等领域，满足轻薄化、长续航需求。​四、固态电池产业链及应用场景固态电池应用场景04其他场景耐受极端温度（-40℃~150℃），适配电动垂直起降飞行器及航天器动力系统。​航空航天具备高压抗腐蚀性能，为深海探测器、水下机器人提供稳定电源。深海设备应用于植入式心脏起搏器等设备，电池寿命延长至50年，减少更换风险与医疗负担。医疗设备四、固态电池产业链及应用场景05固态电池面临的难点和挑战固态电池面临的难点和挑战电解质的难点电解质作为锂离子传输关键媒介，对电池性能影响重大。存在锂金属负极有缺陷、与金属锂接触的固体电解质界面易失效、活性正极材料和固态复合正极材料机械稳定性欠佳等情况，且不同技术体系的固态电解质材料各有缺陷或短板。液态电解质转向固态的挑战在选择固态电解质和设计电芯时，需解决循环过程中的固相界面接触及体积膨胀问题。其中氧化物材料柔韧性差，界面接触不良会使界面阻抗增加；聚合物导电率比液态电解质低4-5个数量级；硫化物固态电池存在电解质对空气敏感、制造条件苛刻、原材料昂贵、规模化生产技术不成熟等问题