低空经济产品技术演进系列——无人机用固态锂电池

固态锂电池简介

固态锂电池SSB的工作原理与传统液态锂电池相似，均基于锂离子在正负极之间的嵌入与脱嵌来实现电能的存储与释放。固态锂电池主要由正极、负极以及固态电解质组成，液态电池的电解液与隔膜被替换成固态电解质。与传统锂电池相比，固态电池最突出的优点是安全性。同时，电解质材料很大程度上决定了固态锂电池的性能发挥，如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及寿命。

从液态电解质含量演变来看，固态电池将产生半固态、准固态、全固态三种形态。通常，我们将液态电解质含量10%作为区分半固态电池和液态电池的分界线，当液态电解质含量 5%~10%时为半固态电池，液态电解质含量 1%~5%的划分为准固态电池，不含有液态电解质的为全固态电池。按照电解质材料的选择，固态电池可以分为聚合物、氧化物、硫化物三种。其中，聚合物属于有机电解质，氧化物与硫化物属于无机陶瓷电解质；按照正负极材料的不同，固态电池还可以分为固态锂离子电池（沿用当前锂离子电池材料体系，如石墨或硅碳负极 、三元正极等）和固态锂金属电池（以金属锂为负极）。

聚合物电解质：由聚合物基体和锂盐构成，室温下离子电导率较低，但在加热至60℃以上时，离子电导率得到显著提升。成本较低、加工性能好、灵活性高、技术相对成熟，且其工艺与现有锂电池接近，易于大规模量产，但室温下离子电导率和氧化电压较低，难以抑制锂枝晶的形成。主要改进方向是通过与无机固态电解质复合化实现离子电导率与电流电压耐受力的提升。

氧化物电解质：使用的是氧化物材料作为电解质，可分为石榴石型如Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）、钙钛矿型、NASICON型、LiPON型等，具有离子导电率一般较低，但具有良好的机械性能和化学稳定性。但是，由于其机械强度高，氧化物电解质的形变能力和柔软性能差，电解质片易脆裂，固固界面接触损耗大，限制了其应用，主要改进方向是与聚合物复合改善加工性能、添加剂或元素掺杂改善离子电导率等。典型氧化物电解质有石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）、NASICON型LAGP（Li_1+xAl_xGe_2–x(PO₄)₃）和LATP（Li_1+xAl_xTi_2–x(PO₄)₃）等。

硫化物电解质：具有高于氧化物和聚合物的电导率，部分硫化物电解质接近或超过传统液态电解质的水平，例如锂锗磷硫型Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）电解质的电导率可以达到1.2×10^-2 S/cm，已经超过许多液态电解质的电导率。然而，硫化物固态电解质也存在容易氧化、化学稳定性差、制备难度较高、和Li金属负极相容性差等问题，比如其对水汽敏感，容易与水反应生成有毒的H₂S气体，且与空气中的氧气、水蒸气发生不可逆的化学反应，导致离子电导率降低和结构破坏。因此，硫化物固态电解质的开发难度较大，对生产环境要求严苛。

复合固态电池：除了上述三种主要类型的固态电池外，还有复合固态电池，它是由硫化物/氧化物和聚合物电解质复合得到的电解质。这种复合电解质综合了无机和有机固态电解质的优点，兼具高锂离子导电率和电化学稳定性。

此外，卤化物固态电解质：金属卤化物( Li-M-X, M为金属, X为F、 Cl、Br或I)，具有高离子电导率，如氯化物固态电解质，同时其电化学稳定性良好、与正极材料相容性高，但是其材料与制备成本较高，并且存在容易吸水潮解的核心缺陷。因此，卤化物电解质目前主要集中在基础科学研究层面，产业化进程较为缓慢。

固态锂电池验证与应用