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解決固態(tài)電池阻抗問題的理論方法

針對全固態(tài)電池研發(fā)的界面阻抗高引起的庫倫效率問題、固態(tài)電解質(zhì)與正負極產(chǎn)生副反應(yīng)的問題,采用特殊涂料理論上可以解決固態(tài)電池阻抗問題的庫倫效率達99.8%,

在固態(tài)電池中,固態(tài)電極與固體電解質(zhì)之間會形成固-固界面,與傳統(tǒng)電池的固-液界面擁有良好的接觸性不同,固體與固體之間的直接接觸難以做到無縫。即是說,固-固界面的接觸面積要比相同規(guī)格的固-液界面接觸面積小。

根據(jù)接觸面積影響離子電導(dǎo)率的原理,接觸面積越小,界面之間的離子電導(dǎo)率就越低,阻抗也就越大。

而在相同電壓下,阻抗越大,電流也就越小,電池的庫倫效率就越低。

不僅如此,固態(tài)電解質(zhì)在與活性正極材料接觸的過程中,也會產(chǎn)生界面副反應(yīng)。

根據(jù)研究成果表明,正極鋰離子脫嵌過程中產(chǎn)生的氧將會與硫化物固態(tài)電解質(zhì)中的鋰產(chǎn)生強烈的靜電作用,電解質(zhì)與正極材料之間陽離子的互擴散會形成SEI膜(一種覆蓋在電極表面的鈍化層),并在反復(fù)的循環(huán)中出現(xiàn)增厚、阻礙離子運輸?shù)默F(xiàn)象。這一現(xiàn)象也會導(dǎo)致電池的庫倫效率降低。

為應(yīng)對上述兩個問題,在正負電極方面進行了如下處理。

在正極方面,通過對正極NCM材料涂覆一層5nm厚的LZO(Li2OZrO2)涂層,用來改善正極與電解質(zhì)固-固界面的阻抗性能。

NCM正極材料外涂覆的LZO涂層

與此同時,涂覆的LZO涂層阻斷了正極材料與硫化物固態(tài)電解質(zhì)之間的副反應(yīng),這使得二者間不會出現(xiàn)SEI膜,庫倫效率得到了提升,放電容量的衰減也同時被大幅減緩。

在負極方面,硫化物固態(tài)電解質(zhì)通過銀碳層與負極間接接觸,界面阻抗同樣得到了改善,銀離子還能夠幫助鋰離子完成在負極的均勻沉積,阻抗進一步減小。

而使用SUS集電器作為負極材料的另一個原因也是因為SUS集電器與硫化物幾乎不產(chǎn)生反應(yīng),也就是說負極與硫化物固態(tài)電解質(zhì)的副反應(yīng)的可能性也被斷絕。

除此之外,所選用的輝石型硫化物固態(tài)電解質(zhì)擁有與一般液態(tài)電解質(zhì)相同的離子傳導(dǎo)率(1-25ms/cm),因此,該電解質(zhì)本身的導(dǎo)電能力就很強,對于提升庫倫效率也有幫助。

在1000次的充放電循環(huán)中,該套電池解決方案的平均庫倫效率大于99.8%。而在去年7月,我國中科院物理所發(fā)表的固態(tài)電池解決方案中,其電池的庫倫效率大約為93.8%。

通過銀碳復(fù)合材料與SUS集電器負極,有效解決了固態(tài)鋰電池的鋰枝晶形成問題,LZO涂層對正極的包覆也使得電池系統(tǒng)的庫倫效率達到了99.8%??梢哉J為,固態(tài)電池技術(shù)的關(guān)鍵難點已被攻克,固態(tài)電池產(chǎn)品距離量產(chǎn)又近了一步。

這意味著在未來五年的時間里,布局固態(tài)電池領(lǐng)域的車企、動力電池供應(yīng)商以及跨界玩家都將順著這一思路進行研究,推動固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從研發(fā)到量產(chǎn)的突破。

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