全固態锂電池組成部分是什麽？

TIME: 2021-08-04 新聞資訊

新能源锂電池作爲熱門關注的行業，未來高能量密度的全固態锂電池會成爲主要發展方向，其組成部分主要由薄膜負極，薄膜正極和固態電解質組成。薄膜物質可以有多種選擇材質。

1、全固态锂電池的薄膜負極

薄膜負極材料主要分爲锂金屬及金屬化合物，氮化物和氧化物。

金属锂是最具代表性的薄膜負極材料。其理论比容量高达3600mAh/g，金属锂非常活泼，其熔点只有180℃，非常容易与水和氧发生反应，电池制造工艺中很多温度较高的焊接方式都不能直接应用在锂金属负极电芯的生产中。

锂合金材料不但具有較高的理論比容量，還可以降低锂的電化學活性。常見的锂金屬化合物有LixSi、LixAl、LixPb等。但锂化合物在充放電過程中，體積變化明顯，容易造成晶格結構的崩塌。

氮化物負極材料可以分爲锂金屬氮化物，锂過渡金屬氮化物和非金屬氮化物。锂金屬氨化物可逆容量高，嵌锂平台低，主要種類有CrN、Cu3N、Ge3N4等。锂過渡金屬氮化物有Li3-xCoxN、Li3FeN2等；非锂金屬氮化物有SiN，VN等。氮化物做負極的主要特點是高的離子電導率和可逆容量。

氧化物负极材料可以分为金属氧化物和金属基复合氧化物。金属氧化物负极有Ti02、Al203、In203、SiOx等；金属基复合物氧化物有Li4Ti5012、LixMo02、LixWO2、LiNiVO4、Sn AlxOy等；Si0x和SnAlxOy 等容量虽然高，但衰减也比较明显。

LixMoO2循環性好，但容量比較低。具有尖晶石結構的Li4Ti5012被稱爲“零應材料”，是穩定性極好的一種負極材料。

2、全固态锂電池的薄膜正极

大多數能夠膜化的高電位材料均可用于固態化锂電薄膜正極材料。薄膜正極材料主要分爲金屬氧化物，金屬硫化物和釩氧化物。

适合做正极材料的金属化合物，多数已经在传统锂電池领域得到了应用，比如Li Mn204、Li Co O2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/302、Li Ni O2、Li Fe PO4等。

金属硫化物被用作锂電池正极材料，包括TiS2、FeS2、SnS2和CuS2等。其中，Ti S2薄膜材料的能量密度达到了450Whkg-1，在嵌入和脱嵌锂过程中拥有接近100%

的庫倫效率。

釩氧化物做正極材料，主要是指V205，無定形V205材料循環穩定性好，可逆容量高，是一種比較有研究潛力的材料。

3、全固态锂電池的固体电解质

固體電解質，以固態形式在正負極之間傳遞電荷，要求固態電解質有高的離子電導率和低的電子電導率。固態化電解質大致可以分爲無機固態電解質、固態聚合物電解質和無機有機複合固態電解質。

无机固态电解质是典型的全国态电解质，不含液体成份，热稳定性好，从根本上解决了锂電池的安全问题。加工性好，厚度可以达到纳米尺寸，主要用于全固态薄膜电池。

無機固態電解質，從構型不同的角度出發，又包括NASICON結構，LISICON結構和ABO3的鈣钛礦結構。锂金屬化合物比鈉金屬化合物的電導率大，這是構型中，锂離子所處的空間位置決定的。鈣钛礦結構的化合物主要是利用A位的空缺來增加锂離子的活動空間來提高锂離子電導率。

玻璃态的无机固态电解质主要有氧化物（例如，P205、B203、SiO2、Li20等）、硫化物（Li2S、Si52等）、硫氧化物（Li S-Si S2中掺入少量的Li3PO4、LiAl O2、Li2SiO3等）。

和氨氧化物（Li PON、Li SiPON、LiSON）等。其中硫化物的热稳定性比较差，加入适当的氧化物，可以提高固态电解质的稳定性和离子导电率。

無機固態電解質離子電導率較高，電子電導率較低，電化學穩定窗口寬，結構穩定，易于成膜，工藝簡單，具有廣闊的應用前景。

固态化聚合物电解质，由锂盐和聚合物构成，大致可以分为全固态类和凝胶类。全固态类是由锂盐和高分子基质络合而成的。锂盐例如：Li PF6、Li BF4、LiCl04、LiAs F6等。高分子基质比如：PEO、PAN、PVDF、PVDC和PMMA等。凝胶类是由锂盐与液体塑化剂，溶剂等与聚合物基质形成稳定凝胶的电解质材料。电化学稳定性良好，安全性较好，工艺简单。现在我们常说的聚合物锂電池，拥有加高的能量密度和较好的安全性，其电解质就是凝胶类聚合物作为电解质的产品。

無機有機複合固態電解質，是指在聚合物的固態電解質當中加入無機填料所形成的一類電解質。一定量活性無機填料的加入可以增加锂離子擴散通道，離子電導率明顯提高。

全固體電解質的研究主要集中在開發高電導率無機電解質和有機-無機複合電解質。硫化物固體電解質具有較高的室溫離子電導率，但是其環境穩定性差。氧化物固體電解質化學穩定性好，但室溫離子電導率較低。有機-無機複合電解質兼具有機物良好的柔性和無機物高的機械強度，但是由于聚合物基體的電導率低，且低溫環境下易結晶，因此複合電解質的室溫電導率偏低。

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