行業動態 | 硫化物固態電池

來源：未知  日期：2025-01-08 15:49  瀏覽量：次

　　硫化物固態電池技術介紹

　　硫化物固態電池是一種采用硫化物作為固體電解質的全固態電池。其核心優勢在於硫化物電解質具有極高的離子電導率，能夠在室溫下與液態電解液相媲美。例如，2011年研發的Li10GeP2S12(LGPS)硫化物固態電解質離子電導率高達1.2×10^-2 S/cm-1。此外，硫化物電解質還具有良好的柔韌性和適配高壓正極材料的能力。

　　研究進展

　　近年來，硫化物固態電池的研究取得了顯著進展。例如，中國科學院青島生物能源與過程研究所的武建飛團隊在硫化物全固態電池關鍵材料製備和核心工藝開發方麵取得了突破，自主研發的硫化物固體電解質室溫離子電導率高達1~12毫西門子每厘米。此外，高性能20安時車載硫化物全固態電池中試線已在青島落地，能夠實現從材料製備到電池組裝的全鏈條高效率生產。

　　應用前景

　　硫化物固態電池因其高能量密度、快速充放電、低溫性能好以及高安全性和長壽命等優點，被認為是新能源汽車動力電池的最佳選擇。例如，應用硫化物全固態電池的新能源汽車有望在6到10分鍾內完成充電。此外，其能量密度可達600Wh/kg以上，意味著可實現長續航裏程。隨著技術的不斷突破和產業化進程的加速推進，硫化物全固態電池有望在未來成為新能源汽車等領域的主流電池技術。

　　產業化挑戰與機遇

　　盡管硫化物固態電池具有諸多優勢，但其產業化仍麵臨一些挑戰，如材料不穩定性、界麵失效、電極/電芯結構設計以及大規模生產工藝缺失等問題。然而，隨著研究的不斷深入和相關技術的突破，這些問題有望逐步得到解決。同時，硫化物固態電池的降本空間巨大，預計其成本將隨著規模化生產的實現而大幅降低。
 

　　目前鋰離子動力電池的能量密度上限，往往受當前主流的石墨負極，或將成為主流的矽碳負極(石墨裏添加矽元素)所決定;而金屬鋰的比容量為3860mAh/g，約為石墨的10倍——指存儲電荷的能力更強，意味著電池可以儲存的能量也就越多——與現有鋰離子電池正極體係搭配，電池能量密度可輕鬆達到400Wh/kg以上。

　　在液態大香蕉啪啪啪池中，負極的石墨實際上充當了一個“容器”的作用，用來承載從正極過來的鋰離子，專業點說就是鋰離子的嵌入和脫出。金屬鋰負極實際上是電池出廠時沒有負極，鋰離子在搖擺過程中直接在負極的界麵沉積，從而形成金屬鋰;放電時，這些金屬鋰再消融為鋰離子，穿過電解質回到正極。

　　沒錯，金屬鋰負極的概念其實就是“無負極”。不過這都是很理想化的設想。

　　傳統大香蕉啪啪啪池之所以沒辦法直接用金屬鋰替代負極，是因為有機溶劑會跟鋰離子產生反應，並不穩定，固態電解質就能徹底解決這個問題嗎?

　　固態電池技術路線根據對固態電解質的選擇不同大致分為三類：聚合物、氧化物和硫化物，其中聚合物屬於有機電解質，其他兩種則屬於無機電解質。不同類型材料物理上軟硬程度也有不同。

　　目前，中國頭部固態電池公司以氧化物材料為基礎的固液混合技術路線為主;日韓企業多采用硫化物固態電解質技術路線;歐美企業選擇則更多樣化，如Solid Power主要走硫化物路線，之前重點介紹的矽穀明星企業Quantum Scape則選擇氧化物路線。

　　三種技術路線各有優缺點，主要說說後兩種無機固態電解質。氧化物電解質對金屬鋰負極兼容性特別好，因為它電化學穩定性優異，不會輕易被金屬鋰還原，成本也有優勢;但是氧化物的離子導電率偏低，且它最大的問題是比較硬，導致電解質與電極之間的接觸麵差，有很多空隙，阻抗問題嚴重。

 

　　三種固態電池路線對比

　　硫化物的離子電導率比較高，在能量密度、循環壽命以及快充上優於氧化物固態電池，但是它又是一種十分不穩定的化學元素，極易與外界發生反應。在製備過程中，硫化物會跟空氣中的氧、水分發生反應，產生有毒的硫化氫，製造工藝要很關注，做好密封。

　　另外，硫化物還特別容易跟金屬鋰負極的界麵發生反應。硫化物已經很不穩定了，偏偏鋰又是一種強還原劑，兩者相遇、反應會形成一些包含硫化鋰在內的雜質，慢慢沉積於電解質與負極之間。這些雜質會逐漸形成一個膜，而且這層膜會越來越厚，先是影響導電率，阻礙鋰離子的傳導，再逐步地降低電池的儲電量，大大削弱硫化物固態電池的循環壽命。

　　更重要的是，這些雜質的存在，加上硫化物在充放電過程中受到的應力，很有可能會在硫化物電解質內部產生裂紋，讓鋰枝晶尋到機會。

　　鋰枝晶是傳統大香蕉啪啪啪池短路的元凶，大家期待固態電解質不易反應的特性能抑製鋰枝晶的生成，即時生成了，堅硬的電解質也要能夠抑製它的生長。但固態電池也沒這麽理想化，還是會有鋰枝晶問題出現，甚至會更嚴重。

　　在氧化物路線中，由於氧化物本身剛性比較高，製造工藝到位的情況下它的界麵就比較平整，Quantum Scape就是“死磕”這個製造工藝。但是硫化物不夠穩定，物理特性上說又比較軟，不太能按壓住鋰枝晶的生長，同時硫化物又有一定的脆性，如前所述，它會產生裂紋，進而引導鋰枝晶的生長。幾個問題加在一塊，就導致問題一步步惡化，硫化物固態電池該短路還是會短路。

　　總而言之，要用硫化物電解質，就要解決硫化物和金屬鋰的相容問題，不然就意味著“最適合傳導的材料，與最適合參與儲電的材料，隻能二選一”。

　　再詳細點說，就是在硫化物材料中摻雜一些含有氮元素的基團，它們是機械研磨混合然後直接燒結出來的，而不是後麵再添加。這樣一來，摻雜在硫化物中的氮與金屬鋰，會生成新的化學物質“氮化鋰”，從而隔絕了硫化物與金屬鋰之間的反應。另外，由於氮元素的基團會撐大硫化物的晶胞，結果就是鋰離子的傳導會更便利，硫化物也會比之前更軟一些，比較好加工。

　　香蕉视频APP免费下载電氣：這個思路其實業界早就有了，隻不過以前是把氮化鋰直接嵌入到金屬鋰表麵，而非固態電解質中。

　　近期，華為公開固態電池專利，解決硫化物電解質與金屬鋰負極兼容問題。固態電池相比液態電池更安全、能量密度更高。固態電池產業升溫，2030年有望批量裝車，華為多點投資布局固態電池領域。