2020WNEVC前沿技術解讀｜聚合物複合固態電解質技術

技術前瞻性

20世紀九十年代初，最早一批商業化鋰離子電池採用液態有機電解液，但碳酸酯溶劑閃電低，存在易燃易爆安全隱患，且能量密度難以滿足長續航需求。九十年代末期，聚環氧乙烷固態電解質被成功開發並投入到商業化應用，但該電解質力學強度差、電化學視窗窄（3。8V）及室溫離子電導率低（2。1×10-6S/cm），電池能量密度低（60℃、0。5C倍率下170Wh/kg），大電流充放電能力差。近年來，高離子電導無機固體電解質成為研究熱點，但電極與電解質之間固固介面離子傳輸、接觸失效等技術問題，阻礙了無機電解質固態鋰電池發展。針對以上技術難題，中國科學院青島生物能源與過程研究所提出了“剛柔並濟”聚合物複合固態電解質設計理念。即以“剛”性骨架為支撐材料，提供高力學效能、優異尺寸熱穩定性和高安全性；複合電化學視窗寬、室溫離子傳輸效能優異的“柔”性聚合物材料和高離子遷移數大陰離子聚合物型鋰鹽，強化離子傳輸和介面穩定性；透過“剛柔並濟”複合建立離子傳輸滲流通道，進而構築多元協同體系。採用聚合物複合電解質的固態鋰電池已為中國深海科考裝備提供了穩定可靠的能源供給，經受了全海深（11000米）極端環境的苛刻考驗。聚合物複合固態電解質成為當前研發熱點。

技術引領性

“剛柔並濟”聚合物複合固態電解質設計理念一經提出，引起國際同行廣泛關注。聚合物電解質創始人Armand 教授、2019年諾貝爾化學獎獲得者、美國國家工程院/科學院院士Goodenough 教授高度評價了該技術。“剛柔並濟”聚合物複合固態電解質具有高室溫離子電導率（3×10-4S/cm）、高鋰離子遷移數、高電化學視窗（4。5V）及優良尺寸熱穩定性（300℃收縮率<1%）、高力學效能（拉伸強度>150MPa）、加工效能等效能優異的聚合物固態電解質關鍵材料，可滿足新能源汽車對動力電池的安全、迴圈、倍率、成本等要求，所研製的固態鋰離子電池比能量達350Wh/kg，迴圈效能優異；金屬鋰電池能量密度460Wh/kg。採用“剛柔並濟”聚合物複合固態電解質所開發的固態還耐深水高壓，可在海底11000米正常工作而不變形。

技術顛覆性

相比於商品化鋰離子電池，基於“剛柔並濟”聚合物複合固態電解質技術的固態鋰電池具有如下突出特點：1）可解決新能源汽車的安全問題。新能源汽車使用的鋰離子電池以液態電解液為主，閃點低，且聚烯烴類隔膜熱穩定性差，內短路和熱失控時易產生燃燒爆炸；大電流充放電時易產生鋰枝晶，存在刺穿隔膜引發內短路風險。聚合物複合固態電解質具備優良的阻燃效能、力學效能、尺寸熱穩定性、機械效能和加工效能等，所研製的固態鋰離子電池通過了國標安全性測試；經110MPa打壓後，外形、開路電壓、內阻保持良好。聚合物複合固態電解質的剛性骨架支撐材料是耐高溫、阻燃快離子材料，具有離火自熄滅特性，即使發生熱失控也不燃燒；透過特殊設計，電解質可以吸附氧自由基形成固相阻燃，形成鈍化層，解決動力電池安全問題。2）可大幅提升新能源汽車的續航能力。新能源汽車續航里程與電池能量密度成正比。採用聚合物複合固態電解質的固態鋰離子電池能量密度350Wh/kg，迴圈壽命1000次以上，既可以提升新能源汽車續航能力，安全性又得到保障。同時該聚合物電解質與鋰金屬匹配性好，可有效抑制鋰金屬枝晶和粉化的關鍵技術問題，研製的固態鋰金屬電池能量密度達到460Wh/kg，已在無人機示範，可大幅提高續航時間。

技術未來發展預期

新能源汽車的安全性、續航能力、成本一直是人們關注的焦點。基於聚合物複合電解質的固態鋰電池具有高安全和高能量密度的突出優勢，同時可沿用目前鋰離子電池行業的大部分工藝生產裝置，被業界認為是近期高比能動力電池發展的首要選擇，是有望實現能量密度達到500Wh/kg的技術路線。由於聚合物複合固態電解質固態鋰電池可沿用目前鋰離子的工藝生產裝置，一經取得技術突破，極有可能顛覆目前的技術和產品格局，加速新能源汽車的市場化推廣。隨著技術的成熟和規模化的實現，採用聚合物複合固態電解質的固態鋰電池成本將大幅降低，在新能源汽車領域、航空航天、無人機、智慧電網等領域實現大規模應用。