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锂离子电池的电化学阻抗分析——硫化物全固态电池及其他

在新一代电池中,通过简化使用插层材料并且将其全固态化和双极性化的安全措施,来提高能量密度、降低成本的做法,相对而言,是目前较好的做法。

由于硫化物全固态电池无需冷却,因此作为电池系统,其能量密度得以提高。

目前,很难说已经实现了高能量密度,但在确立了双极性电极的量产工艺之后,高能量密度设计的研发也会正式展开。在电池内,双极性电极串联连接,但充放电需要在没有设置平衡器的情况下保持平衡等,硫化物全固态电池的研发仍存在亟需解决的课题。

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(图片来自百度)

硫化物全固态电池在完全充放电方面,也已经具有了与电解液电池同等水平的耐用性(Maxell开发出一种“长寿命” 的小型硫化物全固态电池,其为纽扣式全固态电池,可使用10年以上)。另外,考虑到硫化物全固态电池具有较高的耐热性,因此实际使用时的耐用性将超过电解液电池。

硫化物固态电解质的离子电导率的增长超出了预期。目前的制造方法是数十小时的机械化学处理(大规模进行时会消耗大量电力)之后进行结晶化,其成本很高,但是据称,目前正在探讨低成本的湿式制造方法。

在进行外包装之前需要一直在惰性气氛下进行制造,由此造成的成本过高也是需解决的课题之一。虽说如此,在日本已经建成了专用生产线。

另外,全固态电池的制造过程不需要进行注液、初期充放电、SEI/CEI形成以及排气等工序,在这些工序上可大幅度节约成本,或许会进行初期充电,其他工序都可省略。

说到全固态电池,吉野彰先生(2019年诺贝尔化学奖获得者)写道,Goodenough和Braga研发的氯化物-氧化物复合化合物固体电解质--Li2O-LiCl-BaCl2(BaCl2微量掺杂)(对于Goodenough来说是钠超离子导体(NASICON)之后的固体电解质)不形成锂枝晶这一点非常有趣。

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Goodenough教授(图片来自百度)

此外,虽然在氧化物之中,石榴石型电解质和锂磷氧氮(LIPON)薄膜电解质也能抑制锂枝晶的沉积,但是吉野彰先生更关注Li2O-LiCl-BaCl2,因其具有现有材料所不具有的特性,锂离子密度是氧化物电解液的80倍,硫化物的30倍。这关系到电池的高输入/输出特性。

如1990年代的松下电池,

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