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解決固態電池阻抗問題的理論方法

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

在固態電池中,固態電極與固體電解質之間會形成固-固界面,與傳統電池的固-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格的固-液界面接觸面積小。

根據接觸面積影響離子電導率的原理,接觸面積越小,界面之間的離子電導率就越低,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,固態電解質在與活性正極材料接觸的過程中,也會產生界面副反應。

根據研究成果表明,正極鋰離子脫嵌過程中產生的氧將會與硫化物固態電解質中的鋰產生強烈的靜電作用,電解質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),并在反復的循環中出現增厚、阻礙離子運輸的現象。這一現象也會導致電池的庫倫效率降低。

為應對上述兩個問題,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電解質之間的副反應,這使得二者間不會出現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,硫化物固態電解質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生反應,也就是說負極與硫化物固態電解質的副反應的可能性也被斷絕。

除此之外,所選用的輝石型硫化物固態電解質擁有與一般液態電解質相同的離子傳導率(1-25ms/cm),因此,該電解質本身的導電能力就很強,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表的固態電池解決方案中,其電池的庫倫效率大約為93.8%。

通過銀碳復合材料與SUS集電器負極,有效解決了固態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的庫倫效率達到了99.8%。可以認為,固態電池技術的關鍵難點已被攻克,固態電池產品距離量產又近了一步。

這意味著在未來五年的時間里,布局固態電池領域的車企、動力電池供應商以及跨界玩家都將順著這一思路進行研究,推動固態電池領域實現從研發到量產的突破。

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