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固態(tài)電池的優(yōu)缺點 固態(tài)電池的主要材料_工作原理_制作工藝

本原創(chuàng)文章由 MAIGOO文章編輯員370號 上傳提供 2024-09-18 評論 發(fā)布 糾錯/刪除 版權(quán)聲明 0
導(dǎo)
語

固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池，它摒棄了傳統(tǒng)鋰離子電池中的液態(tài)電解質(zhì)，代之以固態(tài)電解質(zhì)來傳導(dǎo)離子。固態(tài)電池具有體積小、重量輕、安全性高、能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點。固態(tài)電池代表了下一代電池技術(shù)的發(fā)展方向，具有巨大的商業(yè)潛力和社會價值。下面為大家進(jìn)一步介紹固態(tài)電池的優(yōu)缺點、材料、原理等相關(guān)知識。

固態(tài)電池的原料是什么

  • 固態(tài)電解質(zhì)
    常見的固態(tài)電解質(zhì)材料包括氧化物（如氧化鋰石榴石LLZO）、硫化物（如硫化鋰）以及聚合物等。
  • 正極材料
    常見的正極材料包括過渡金屬氧化物（如鈷酸鋰、鎳鈷錳三元材料、磷酸鐵鋰等）、硫化物以及部分含鋰化合物。
  • 負(fù)極材料
    常見的負(fù)極材料包括金屬鋰（雖然存在枝晶生長等問題，但仍是研究熱點）、硅基材料（具有高能量密度但體積膨脹大）、碳材料（如石墨、碳納米管等）以及合金材料等。
  • 集流體
    集流體用于收集和傳導(dǎo)電極上產(chǎn)生的電流。在固態(tài)電池中，正極和負(fù)極都需要使用集流體，常見的集流體材料包括銅箔（用于負(fù)極）和鋁箔（用于正極）。
  • 粘結(jié)劑
    粘結(jié)劑用于將活性物質(zhì)（正極和負(fù)極材料）與集流體粘結(jié)在一起，形成電極片。常見的粘結(jié)劑材料包括聚偏氟乙烯（PVDF）、丁苯橡膠（SBR）等。
  • 其他輔助材料
    據(jù)maigoo小編所知，固態(tài)電池的生產(chǎn)還可能涉及其他輔助材料，如導(dǎo)電劑（用于提高電極的導(dǎo)電性）、隔膜（用于隔離正負(fù)極并允許離子通過）等。
固態(tài)電池的優(yōu)缺點
固態(tài)電池優(yōu)點
更高的能量密度
固態(tài)電池通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)和材料，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能量密度，從而提供更長的續(xù)航里程。
更好的安全性
固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代了液態(tài)電解質(zhì)，從根本上消除了電解液泄漏、燃燒和爆炸的風(fēng)險。
更長的循環(huán)壽命
固態(tài)電解質(zhì)有助于減少鋰枝晶的形成，從而延長電池的循環(huán)壽命。
更快的充電速度
理論上，固態(tài)電池能夠支持更高的電流密度，從而實現(xiàn)更快的充電速度。
更寬的工作溫度范圍
固態(tài)電池能在更寬的溫度范圍內(nèi)工作，包括低溫環(huán)境。
固態(tài)電池缺點
成本較高
目前，固態(tài)電池的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于液態(tài)鋰離子電池，這主要是由于固態(tài)電解質(zhì)材料的研發(fā)成本、生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性以及生產(chǎn)規(guī)模的限制。
技術(shù)成熟度不足
固態(tài)電池技術(shù)仍處于發(fā)展階段，尚未完全成熟。在規(guī)?；a(chǎn)、一致性控制、界面穩(wěn)定性等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步的研發(fā)和優(yōu)化。
電導(dǎo)率相對較低
與液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率通常較低，這可能會影響電池的功率密度和充放電速率。
固態(tài)電池為什么更安全
固態(tài)電解質(zhì)的高安全性
固態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)電解質(zhì)相比，具有不可燃的特性?？蓽p少熱失控和起火的風(fēng)險，另外固態(tài)電池沒有液態(tài)電解質(zhì)，因此不存在電解液泄漏和腐蝕電極材料的風(fēng)險。
抑制鋰枝晶的生長
鋰枝晶是鋰離子電池在充放電過程中形成的一種尖銳結(jié)構(gòu)，容易刺穿隔膜導(dǎo)致內(nèi)部短路。固態(tài)電解質(zhì)由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，能夠有效抑制鋰枝晶的生長。
高熱穩(wěn)定性
固態(tài)電解質(zhì)具有較高的熱穩(wěn)定性，即使在高溫環(huán)境下也不易分解或產(chǎn)生可燃?xì)怏w。
內(nèi)部無液體流動
固態(tài)電池內(nèi)部無液體流動，使得電池在遭受外部沖擊時，不易發(fā)生短路或泄漏等安全問題。
更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度
固態(tài)電解質(zhì)的高機(jī)械強(qiáng)度也提升了電池的整體安全性，使其更能承受外部沖擊和振動。
固態(tài)電池續(xù)航能達(dá)到多少

  • 買購網(wǎng)編輯了解到，固態(tài)電池已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)單次續(xù)航突破一千公里，甚至有的技術(shù)預(yù)測能夠達(dá)到2000公里的續(xù)航里程。

固態(tài)電池的工作原理
固態(tài)電池如何儲能

鋰離子遷移
當(dāng)固態(tài)電池充電時，外部電源為電池提供電能。在電勢差的作用下，正極材料中的鋰離子開始從正極晶格中脫嵌出來。這些鋰離子隨后穿過固態(tài)電解質(zhì)，向負(fù)極遷移。
電子轉(zhuǎn)移
為了保持電荷平衡，電子通過外電路從正極流向負(fù)極。這些電子在負(fù)極與遷移過來的鋰離子結(jié)合，形成鋰化合物并儲存在負(fù)極材料中。
能量儲存
隨著鋰離子的不斷遷移和電子的轉(zhuǎn)移，電池內(nèi)部儲存的化學(xué)能逐漸增加，電能被轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲存在電池中。
固態(tài)電池如何充電
鋰離子反向遷移
當(dāng)固態(tài)電池放電時，負(fù)極材料中的鋰化合物開始分解，鋰離子從負(fù)極材料中脫嵌出來，并在化學(xué)勢差的作用下穿過固態(tài)電解質(zhì)向正極遷移。
電子回流
同時，為了維持電荷平衡，電子通過外電路從負(fù)極流回正極。這些電子在正極與遷移過來的鋰離子結(jié)合，形成正極材料并釋放出儲存的化學(xué)能。
能量釋放
隨著鋰離子的反向遷移和電子的回流，電池內(nèi)部儲存的化學(xué)能逐漸轉(zhuǎn)化為電能并釋放出來，驅(qū)動外部設(shè)備工作。
固態(tài)電池生產(chǎn)工藝
制備原材料
制作固態(tài)電池要先制備好材料，固態(tài)電解質(zhì)、正負(fù)極材料等材料需要經(jīng)過精細(xì)的制備和篩選過程。
混合與涂布
將正負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑按一定比例混合均勻，然后涂布在集流體（如銅箔或鋁箔）上。
壓實與裁切
涂布后的電極需要進(jìn)行壓實處理，以提高其密度和導(dǎo)電性。然后，根據(jù)電池設(shè)計的尺寸進(jìn)行裁切，得到合適的電極片。
電解質(zhì)層制備
將固態(tài)電解質(zhì)材料制備成合適的形狀和厚度，以便與電極片進(jìn)行組裝。
堆疊與卷繞
將正極片、電解質(zhì)層和負(fù)極片按一定順序堆疊或卷繞在一起，形成電池的核心部分。在堆疊或卷繞過程中，需要確保各層之間緊密接觸且無短路現(xiàn)象。
外殼成型
根據(jù)電池設(shè)計的尺寸和形狀，制作電池的外殼。外殼材料應(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和密封性能。
注入電解液（如有需要）
雖然固態(tài)電池以固態(tài)電解質(zhì)為主，但在某些情況下可能需要注入少量液體電解液以增強(qiáng)離子傳導(dǎo)性能。這一步驟并非所有固態(tài)電池生產(chǎn)工藝中都有。
封裝與封口
將堆疊或卷繞好的電池核心部分放入外殼中，并進(jìn)行封裝和封口處理。Maigoo編輯提醒，封裝過程中需要確保電池內(nèi)部無空氣和雜質(zhì)進(jìn)入，以提高電池的安全性和穩(wěn)定性。
性能測試
對封裝好的固態(tài)電池進(jìn)行性能測試，包括充放電循環(huán)測試、倍率性能測試、安全性能測試等。通過測試評估電池的性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求。
品質(zhì)控制
對生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的品質(zhì)控制，確保每個電池的質(zhì)量都符合標(biāo)準(zhǔn)。對不合格的電池進(jìn)行篩選和處理，避免流入市場。
固態(tài)電池和鋰電池區(qū)別
電解質(zhì)差異
固態(tài)電池
使用固態(tài)電解質(zhì)，如硫化物、氧化物等。
鋰電池
通常使用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，如碳酸酯或醚類物質(zhì)。
電極材料差異
固態(tài)電池
可以選擇多種高容量的材料作為正負(fù)極。
鋰電池
正極材料通常為金屬鋰的化合物（如鋰鈷氧、鋰鎳錳鈷等），負(fù)極材料為石墨或硅基材料。
性能特點差異
能量密度
固態(tài)電池的能量密度通常高于鋰電池。
充電速度
固態(tài)電池的充電速度通常更快。
電壓穩(wěn)定性
固態(tài)電池的電壓穩(wěn)定性和使用壽命通常高于鋰電池。
安全性差異
固態(tài)電池
由于使用固態(tài)電解質(zhì)，不易燃、不易爆，因此安全性更高。
鋰電池
存在易燃易爆的風(fēng)險，特別是在高溫或受到物理損傷時可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸。
成本差異
固態(tài)電池
制造成本相對較高，主要因為需要使用新型的固態(tài)電解質(zhì)和高性能的電極材料。
鋰電池
制造成本相對較低，部分原因是其使用了較為成熟的液態(tài)電解質(zhì)和電極材料。
固態(tài)電池和液態(tài)電池的區(qū)別
電解質(zhì)差異
固態(tài)電池
采用固態(tài)電解質(zhì)，如氧化物、硫化物或聚合物等。
液態(tài)電池
使用液態(tài)電解質(zhì)，通常為含鋰鹽的有機(jī)溶液。
電極材料差異
固態(tài)電池
正極材料常見的有鋰鈷氧化物、鎳鈷錳氧化物等，負(fù)極材料則可能采用鋰金屬或石墨。
液態(tài)電池
正極材料與固態(tài)電池相似，但負(fù)極材料通常使用石墨。
性能特點差異
能量密度
在相同體積或重量下，固態(tài)電池能夠儲存更多的能量。
安全性
固態(tài)電解質(zhì)不易燃、不易泄漏。而液態(tài)電池的液態(tài)電解質(zhì)易燃，且存在泄漏風(fēng)險。
循環(huán)壽命
固態(tài)電池的循環(huán)壽命通常較長，液態(tài)電池的循環(huán)壽命相對較短。
成本差異
固態(tài)電池
成本相對較高，這主要是由于其技術(shù)尚未成熟且生產(chǎn)工藝復(fù)雜
液態(tài)電池
技術(shù)成熟且生產(chǎn)規(guī)模大，成本相對較低。
固態(tài)電池維修保養(yǎng)
固態(tài)電池的壽命是多少年

  • 固態(tài)電池相比傳統(tǒng)液態(tài)電池在壽命方面有著顯著的優(yōu)勢。傳統(tǒng)電動車電池的使用壽命大約為20年，而固態(tài)電池的壽命至少是其兩倍以上，甚至可以達(dá)到50年。

固態(tài)電池如何保存
溫度控制
Ma_igoo編輯提醒固態(tài)電池應(yīng)存放在適宜的溫度范圍內(nèi)，一般建議在-20℃至+50℃之間，以避免過高或過低的溫度對電池性能產(chǎn)生不利影響。
濕度與通風(fēng)
保持存放環(huán)境的干燥，防止?jié)駳鈱﹄姵卦斐蓳p害。確保存放地點具有良好的通風(fēng)條件，以便及時排除可能產(chǎn)生的有害氣體或熱量。
避免機(jī)械沖擊
在搬運(yùn)和存放固態(tài)電池時，應(yīng)避免劇烈震動和摔落，以防止電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞。
固態(tài)電池壞了能修嗎
專業(yè)檢測
當(dāng)固態(tài)電池出現(xiàn)故障或性能下降時，應(yīng)將其送至專業(yè)的維修站點進(jìn)行檢測和維修。
更換電解質(zhì)
如果電解質(zhì)老化或損壞導(dǎo)致電池性能下降，可能需要更換新的電解質(zhì)。這通常需要專業(yè)的技能和設(shè)備來完成。
修復(fù)正負(fù)極
如果正負(fù)極出現(xiàn)損壞或老化，專業(yè)維修人員可能會使用專業(yè)的修復(fù)劑進(jìn)行修復(fù)。然而，需要注意的是，并非所有類型的固態(tài)電池都支持正負(fù)極的修復(fù)。
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