全固態(tài)鋰離子電池負(fù)極挑戰(zhàn)

匯報(bào)人：停云2024-02-12全固態(tài)鋰離子電池負(fù)極挑戰(zhàn)引言全固態(tài)鋰離子電池負(fù)極材料種類與性能負(fù)極材料在全固態(tài)電池中面臨問題與挑戰(zhàn)新型負(fù)極材料在全固態(tài)電池中應(yīng)用前景展望目錄制備工藝對(duì)全固態(tài)電池負(fù)極性能影響分析制備工藝優(yōu)化以提高全固態(tài)電池負(fù)極性能策略總結(jié)與展望目錄01引言

背景與意義能源轉(zhuǎn)型與電動(dòng)汽車需求隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，對(duì)高性能、高安全性的電池需求日益迫切。傳統(tǒng)鋰離子電池局限性傳統(tǒng)鋰離子電池存在能量密度瓶頸、安全隱患等問題，難以滿足未來市場(chǎng)需求。全固態(tài)鋰離子電池優(yōu)勢(shì)全固態(tài)鋰離子電池具有高能量密度、高安全性、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，是下一代電池技術(shù)的重要發(fā)展方向。123全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)，從根本上解決了電池漏液、起火等安全問題。固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)全固態(tài)鋰離子電池采用新型正負(fù)極材料和優(yōu)化的電池結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高能量密度和長(zhǎng)壽命。高能量密度與長(zhǎng)壽命全固態(tài)鋰離子電池的制造技術(shù)難度較大，生產(chǎn)成本較高，是制約其商業(yè)化應(yīng)用的主要因素之一。制造技術(shù)挑戰(zhàn)與成本問題全固態(tài)鋰離子電池簡(jiǎn)介負(fù)極材料的作用01負(fù)極材料是電池中的重要組成部分，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存和釋放鋰離子，其性能直接影響電池的整體性能。傳統(tǒng)負(fù)極材料的局限性02傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料存在能量密度低、易析鋰等問題，難以滿足全固態(tài)鋰離子電池的高性能需求。新型負(fù)極材料的挑戰(zhàn)03新型負(fù)極材料如硅基負(fù)極、鈦酸鋰負(fù)極等具有高能量密度、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，但也面臨著體積膨脹、界面電阻大等問題，需要在材料設(shè)計(jì)、制備工藝等方面進(jìn)行深入研究。負(fù)極材料在電池中作用及挑戰(zhàn)02全固態(tài)鋰離子電池負(fù)極材料種類與性能石墨是最常用的碳基負(fù)極材料，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)和較高的理論比容量。石墨硬碳碳納米管硬碳是一種非石墨化碳，具有較高的比容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性，但首次庫侖效率較低。碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，作為負(fù)極材料可提高電池的倍率性能和循環(huán)壽命。030201碳基負(fù)極材料硅單質(zhì)具有較高的理論比容量，但充放電過程中體積變化大，易導(dǎo)致電極粉化。硅單質(zhì)硅碳復(fù)合材料結(jié)合了硅和碳的優(yōu)點(diǎn)，提高了負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。硅碳復(fù)合材料硅氧化物負(fù)極材料具有較高的比容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性，但首次庫侖效率較低。硅氧化物硅基負(fù)極材料鈦酸鋰是一種“零應(yīng)變”材料，充放電過程中體積變化極小，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。通過摻雜其他元素可改善鈦酸鋰的導(dǎo)電性和比容量等性能。鈦酸鋰負(fù)極材料摻雜改性鈦酸鋰鈦酸鋰錫基負(fù)極材料具有較高的理論比容量，但充放電過程中體積變化較大。錫基負(fù)極材料合金類負(fù)極材料如錫合金、硅合金等具有較高的比容量，但需解決循環(huán)穩(wěn)定性問題。合金類負(fù)極材料轉(zhuǎn)換反應(yīng)類負(fù)極材料如過渡金屬氧化物、硫化物等具有較高的比容量和較好的安全性，但需改善其導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)換反應(yīng)類負(fù)極材料其他類型負(fù)極材料03負(fù)極材料在全固態(tài)電池中面臨問題與挑戰(zhàn)全固態(tài)電池中，負(fù)極與固體電解質(zhì)之間的界面電阻較大，影響電池性能。問題通過界面工程、添加劑的使用等方法降低界面電阻，提高界面穩(wěn)定性。解決方案界面電阻大問題及解決方案問題負(fù)極材料在充放電過程中體積膨脹較大，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和電池失效。改進(jìn)措施采用納米化、復(fù)合化等手段改善負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抑制體積膨脹。體積膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞問題及改進(jìn)措施問題全固態(tài)電池中，負(fù)極材料的離子電導(dǎo)率較低，限制電池性能發(fā)揮。提升策略通過材料設(shè)計(jì)、制備工藝優(yōu)化等方法提高負(fù)極材料的離子電導(dǎo)率，改善電池性能。離子電導(dǎo)率低提升策略循環(huán)穩(wěn)定性差優(yōu)化方法問題全固態(tài)電池在循環(huán)過程中負(fù)極材料穩(wěn)定性差，易導(dǎo)致電池容量衰減和安全問題。優(yōu)化方法采用表面包覆、摻雜改性等手段提高負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電池壽命。04新型負(fù)極材料在全固態(tài)電池中應(yīng)用前景展望合金類負(fù)極材料如硅、錫等，具有高的理論比容量，是提升全固態(tài)電池能量密度的重要途徑。高比容量合金類負(fù)極材料在充放電過程中存在較大的體積膨脹，可能導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)破壞和電池性能衰減。因此，需要研發(fā)有效的緩沖基質(zhì)和復(fù)合結(jié)構(gòu)來緩解體積膨脹。體積膨脹問題通過優(yōu)化合金類負(fù)極材料的制備工藝和表面改性，可以提高其循環(huán)穩(wěn)定性和首次庫侖效率，從而延長(zhǎng)全固態(tài)電池的使用壽命。循環(huán)穩(wěn)定性合金類負(fù)極材料應(yīng)用前景高比容量和電壓平臺(tái)轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料如過渡金屬氧化物、硫化物等，具有高的比容量和合適的電壓平臺(tái)，是全固態(tài)電池的重要候選負(fù)極材料。首次不可逆容量損失轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料在首次充放電過程中存在較大的不可逆容量損失，需要通過材料設(shè)計(jì)和制備工藝的優(yōu)化來降低首次不可逆容量損失。循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料在循環(huán)過程中可能存在結(jié)構(gòu)變化和體積效應(yīng)，導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能下降。因此，需要研發(fā)穩(wěn)定的電極結(jié)構(gòu)和高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來提升其電化學(xué)性能。轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料應(yīng)用前景綜合性能優(yōu)勢(shì)復(fù)合型負(fù)極材料結(jié)合了多種材料的優(yōu)點(diǎn)，如高比容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能等，是全固態(tài)電池負(fù)極材料的重要發(fā)展方向。協(xié)同效應(yīng)通過合理的材料設(shè)計(jì)和制備工藝優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合型負(fù)極材料中各組分的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提升其電化學(xué)性能。制備工藝挑戰(zhàn)復(fù)合型負(fù)極材料的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，需要解決材料均勻混合、界面結(jié)合等問題，以實(shí)現(xiàn)高性能全固態(tài)電池的制備。復(fù)合型負(fù)極材料應(yīng)用前景05制備工藝對(duì)全固態(tài)電池負(fù)極性能影響分析粉末冶金法制備工藝及優(yōu)缺點(diǎn)粉末冶金法制備過程中需要使用高溫?zé)Y(jié)，可能導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞和性能下降；同時(shí)，該方法制備的材料密度較低，孔隙率較高，影響全固態(tài)電池的能量密度。缺點(diǎn)粉末冶金法是一種通過機(jī)械合金化或固態(tài)反應(yīng)合成負(fù)極材料的方法，主要包括粉末混合、壓制成型和燒結(jié)等步驟。制備工藝粉末冶金法可以制備出成分均勻、顆粒細(xì)小的負(fù)極材料，有利于提高全固態(tài)電池的循環(huán)性能和倍率性能。優(yōu)點(diǎn)制備工藝溶膠凝膠法是一種通過溶液中的化學(xué)反應(yīng)合成負(fù)極材料的方法，主要包括溶膠制備、凝膠形成和熱處理等步驟。優(yōu)點(diǎn)溶膠凝膠法制備的材料顆粒均勻、比表面積大，有利于提高全固態(tài)電池的界面反應(yīng)活性和離子傳輸速率；同時(shí)，該方法可以在較低溫度下制備材料，避免高溫對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響。缺點(diǎn)溶膠凝膠法制備過程復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件和參數(shù)；同時(shí)，該方法制備的材料可能存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、易團(tuán)聚等問題，影響全固態(tài)電池的性能。溶膠凝膠法制備工藝及優(yōu)缺點(diǎn)010203噴霧干燥法噴霧干燥法是一種將液態(tài)原料霧化成微小液滴，在高溫氣流中瞬間干燥制備負(fù)極材料的方法。該方法制備的材料顆粒球形度好、比表面積大，有利于提高全固態(tài)電池的界面反應(yīng)活性和離子傳輸速率。化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法是一種通過氣相化學(xué)反應(yīng)在基底上沉積負(fù)極材料的方法。該方法可以制備出結(jié)構(gòu)致密、成分均勻的負(fù)極材料，有利于提高全固態(tài)電池的循環(huán)性能和倍率性能。靜電紡絲法靜電紡絲法是一種利用高壓靜電場(chǎng)制備納米纖維材料的方法，可以制備出具有高比表面積和優(yōu)異力學(xué)性能的負(fù)極材料。該方法制備的材料有利于提高全固態(tài)電池的界面反應(yīng)活性和能量密度。其他先進(jìn)制備工藝介紹06制備工藝優(yōu)化以提高全固態(tài)電池負(fù)極性能策略03燒結(jié)工藝控制優(yōu)化燒結(jié)溫度、氣氛和時(shí)間等參數(shù)，以獲得高致密度的全固態(tài)電池負(fù)極材料。01原料粉末選擇選用高純度、細(xì)粒度、均勻分布的原料粉末，提高粉末冶金法制備的負(fù)極材料性能。02粉末混合與壓制優(yōu)化粉末混合工藝，確保各組分均勻分布；采用合適的壓制工藝，提高生坯密度和強(qiáng)度。粉末冶金法優(yōu)化策略凝膠形成與干燥控制凝膠形成過程中的pH值、溫度和時(shí)間等參數(shù)，獲得結(jié)構(gòu)均勻的凝膠；采用合適的干燥方法，避免凝膠開裂和收縮。熱處理工藝優(yōu)化熱處理溫度、氣氛和時(shí)間等參數(shù)，以獲得高性能的全固態(tài)電池負(fù)極材料。溶膠制備選用合適的溶劑、前驅(qū)體和添加劑，制備穩(wěn)定、均勻的溶膠。溶膠凝膠法優(yōu)化策略噴射沉積法激光熔覆法等離子噴涂法化學(xué)氣相沉積法其他先進(jìn)制備工藝優(yōu)化方向通過噴射沉積技術(shù)制備高性能負(fù)極材料，提高材料的致密性和均勻性。采用等離子噴涂技術(shù)制備全固態(tài)電池負(fù)極材料，提高材料的導(dǎo)電性和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)。利用激光熔覆技術(shù)在基體表面制備高性能負(fù)極材料涂層，提高全固態(tài)電池的循環(huán)性能和倍率性能。通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)在基體表面沉積高性能負(fù)極材料薄膜，提高全固態(tài)電池的能量密度和功率密度。07總結(jié)與展望固態(tài)電解質(zhì)的研究與應(yīng)用如硫化物、氧化物、聚合物等固態(tài)電解質(zhì)在全固態(tài)電池中的性能表現(xiàn)及界面問題。電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化針對(duì)全固態(tài)電池的特點(diǎn)，進(jìn)行電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高電池的安全性和循環(huán)性能。高能量密度負(fù)極材料的開發(fā)如硅基、錫基等合金類負(fù)極材料，以及鈦酸鋰等高電壓負(fù)極材料。主要研究成果總結(jié)繼續(xù)探索新型的高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命的負(fù)極材料，以滿足全固態(tài)電池的性能需求。新型負(fù)極材