固态锂电池与液态锂电池性能对比，固态电池和液态电池哪个好

1、液态锂离子电池的安全性

1.1 背景

《节能与新能源汽车技术路线图2.0》规划提到了动力电池能量密度的相关目标，指出到2030年单体电池比能量要达到400Wh/kg，到2035年达到500Wh/kg。但在目前的技术水平下，高能量密度液态锂离子电池的负极材料通常采用高镍和石墨负极来实现，其量产产品的能量密度在240-240左右范围内。 240.如果想要获得更高的能量密度，负极材料的选择之一就是采用硅碳材料，但采用这种方法的产品可以实现低于400Wh/kg的更高能量。密度可以根据环境条件而增加，但难以长时间稳定运行。在这种情况下，想要实现500wh/kg的高能量密度目标是非常困难的。

图1 规划2.0

推动新能源汽车进一步发展，动力电池技术升级是大幅延长汽车续航里程的必由之路。在当前汽车市场，随着新能源汽车的普及，液态锂离子电池已成为应用最广泛的汽车动力电池产品。尽管电池装机量逐年增加，但动力电池整个汽车生命周期的安全性和稳定性也受到用户、制造商和行业的关注。

1.2 安全性

新能源汽车发展以来，因动力电池引发的安全事故时有发生。液态锂离子电池使用过程中反复出现安全问题的主要原因可归纳为以下几点：

1）当锂离子电池暴露在低温环境、电池过充、大电流充电等情况下，金属锂直接沉积在电芯负极表面，形成锂枝晶，俗称锂枝晶。当负极上因锂析出现象而形成晶体并出现锂枝晶时，隔膜中会有一定概率形成孔洞，如果隔膜破裂，原本分离的正负极就会短路-电路，造成安全问题。

图2 锂枝晶穿透隔膜

2）当动力电池充电到一定容量，并将正极置于较高电压环境中时，在显微镜下观察正极材料，可以发现其结构中存在天然稳定的氧。晶格失去电子。泡沫沉淀并形成游离态，游离氧与电解液发生氧化反应，放出大量的热。由于燃点低，有机电解质在这种环境下非常不安全。因此，目前动力电池组件可能会引起燃烧、爆炸等安全隐患。

3）在高温高压环境下，LiPF6基电解液容易分解并与其他溶剂发生热化学反应，可能引发安全事故。

4）如果动力电池的环境温度较高，隔膜会因受热而收缩，如果隔膜破裂，会导致正负极短路。

5）如果动力电池处于高温环境下，电池内部会发生SEI膜分解、正负极与电解液反应等异常现象，使得动力电池内部容易发生热失控。一旦电池热失控，很难在很短的时间内将其冷却下来。所以大多数情况下，当发生热失控时，你可以简单地看着它自行烧毁。用灭火器或其他方法很难扑灭火灾。

例如，新能源汽车充电时自燃、夏季自燃等事件往往与上述原因分开报道。动力电池中的电解液热不稳定且易燃，这是液态锂离子电池热失控的主要原因，但电解液却是液态锂离子电池的必备材料。认为液态锂离子电池的安全问题不可能从根本上解决，也正因如此，业界从安全角度认为液态锂离子电池“本质上不安全”。现在厂商对于这个液体系列产品能做的就是尽可能减少动力电池的安全问题，增加系统监控，解决电池的物理结构和热管理问题。但这些技术措施只能有效降低风险，而不能根治风险。

图3 液态锂离子电池热失控感应机理

2.全固态电池

一方面有能量密度目标带来的压力，另一方面如何在提高电池能量密度的同时也能本质上提高安全性？国家电池出现了。

全固态电池根据其所含电解质的量分为三种类型：半固态、半固态和全固态。其中，半固态电池所含液态电解质的比例通常低于10%，而全固态电池则不含有液态电解质，而是用固态电解质替代。目前的技术水平，之所以存在半固态和准固态之间的中间混合态，主要是因为在固态电池中添加一定比例的电解液，降低了界面阻抗，提高了固态电池的性能。 -状态电池。不过，随着固态电池技术的发展，混合动力电池取代固态电池只是时间问题。此外，由于固体电解质比液体电解质具有更高的密度，用固体电解质代替液体电解质进一步提高了电池本身的能量密度。

图4 各状态电池对比

全固态电池与现有液态电池材料体系高度兼容，成分与液态锂离子电池主要成分相似，主要有正极、负极、固体电解质、电解液四大类。已建成。分隔器。

正极材料：

固态电池和液态电池的正极材料体系基本相同，开发固态电池时可以拓展材料。另一方面，在液体电池中，当电压超过4V时，电解液在电极材料界面发生反应分解，因此提高电压和提高能量密度极其困难。然而，固体电解质不会出现这种现象，因此固态电池可以使用具有更高电压平台的正极材料，例如高镍层状氧化物或富锂锰基氧化物，以提高电压。让动力电池获得更高的能量密度。

负极材料：

与正极材料一样，用于固态电池应用的负极材料也与现有材料系统兼容。为了使动力电池获得更高的能量密度，负极采用克容量更高的硅基和金属锂材料。其中，使用金属锂作为负极材料是提高电池能量密度的重要解决方案之一，但金属锂负极在混合电池循环过程中会产生锂枝晶，存在安全隐患。使用动力电池。

图5 全固态电池负极材料

电解质：

提供锂离子可以在正极和负极之间移动的环境。全固态电池可以使用无机陶瓷等材料作为电解质，此类电解质的作用可以抑制上述负极材料的锂枝晶生长问题，这是导致金属锂形成的可靠前提。用于使用.确保全固态电池负极材料。此外，陶瓷材料的使用还避免了因热收缩而导致隔膜破裂的问题，这无疑降低了安全风险。

在上面的介绍中，我提到液体电池之所以“本质上不安全”，是因为与液体电池相比，固态电池所使用的固体电解质不易燃、不易挥发。无泄漏意味着即使发生碰撞也不易发生电解液泄漏或电极短路。

此外，固体电解质热失控的起始温度远高于液态锂离子电池隔膜的熔化温度，因此该技术的应用从根本上解决了液态电池“本质不安全”的问题。

图6 各种电解质/液体的热失控起始温度

隔膜：

用于正负极绝缘，防止电池短路。在液体和混合电池系统中，隔膜的应用是必不可少的，但未来全固态电池将大量生产，因此在这种情况下，具有良好绝缘性能的固体电解质可以充当传统隔膜。有性别。不再需要应用分隔符。同时，通过取消隔膜，即使在使用过程中出现锂枝晶，也不会出现隔膜刺穿等问题。

图7 全固态电池取消隔膜

上述全固态电池的配置可以总结如下图所示。

图8 全固态电池主要部件

然而，无论电池的形状和类型如何不同，在充电和放电原理方面，它们的工作原理都是相同的。换句话说，固态电池和液态电池都依赖于锂离子在正极和负极之间的移动。两者性能对比：

表1 全固态电池对比

电池类型

液体电池

全固态电池

正极材料

电解质在较高压力下容易分解，因此不能使用较高压力的材料。

电解质即使在相对较高的压力下也不会发生副反应，并且可以使用高压材料来提高能量密度。

负极材料

通常，低容量石墨用作负极。

较高克容量的材料如金属锂可用作负极

电解质

易燃且热不稳定

不燃、高绝缘、不挥发、无泄漏

隔膜

正负极绝缘所需材料

无需全固态

副作用

电解液与正极发生明显反应

电解液与正极材料之间无副反应

连接方式

单体仅适合外部串联组合

单体可用于内部串联以提高电压。

散热方式

专业设计、有针对性的热管理解决方案

考虑热均衡

在固态电池的发展过程中，安全性和电化学性能一直是业界关注的焦点，而界面稳定性是影响这两类电池性能的主要因素。关于界面问题，可分为物理机械稳定性、化学稳定性、电化学稳定性和热稳定性。

如果物理机械稳定性不好，电极-电解质界面就会产生结构应力，并且结构应力会随着电化学循环的进行而不断积累，最终影响电池的电化学性能和安全性能。因此，如何安全有效地解决这些问题将是全固态电池未来发展的关键。

公众号文章链接：动力电池的固态和液态