[论文解读] A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies

Andrew Ulvestad|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2018

Advanced Battery Materials and Technologies参考文献 57被引用 29

一句话总结

本文综述了当前锂离子电池（LIB）技术，并评估了新兴的全固态电池（SSB）系统，重点聚焦硫化物、聚合物和氧化物固态电解质。研究结论指出，尽管全固态电池通过使用金属锂负极有望实现更高的能量密度，但目前尚无任何全固态电池技术能与最先进的液态电解质锂离子电池性能相匹敌，且商业化仍面临挑战，尽管产业界对此兴趣浓厚。

ABSTRACT

Solid state battery technology has recently garnered considerable interest from companies including Toyota, BMW, Dyson, and others. The primary driver behind the commercialization of solid state batteries (SSBs) is to enable the use of lithium metal as the anode, as opposed to the currently used carbon anode, which would result in ~20% energy density improvement. However, no reported solid state battery to date meets all of the performance metrics of state of the art liquid electrolyte lithium ion batteries (LIBs) and indeed several solid state electrolyte (SSE) technologies may never reach parity with current LIBs. We begin with a review of state of the art LIBs, including their current performance characteristics, commercial trends in cost, and future possibilities. We then discuss current SSB research by focusing on three classes of solid state electrolytes: Sulfides, Polymers, and Oxides. We discuss recent and ongoing commercialization attempts in the SSB field. Finally, we conclude with our perspective and timeline for the future of commercial batteries.

研究动机与目标

• 评估当前液态电解质锂离子电池（LIB）技术的最新进展，包括性能、成本趋势及未来发展方向。
• 评估全固态电池（SSBs）作为传统锂离子电池下一代替代品的潜力。
• 分析三类主要固态电解质——硫化物、聚合物和氧化物——的材料特性与技术挑战。
• 考察丰田、宝马和戴森等主要企业在此领域的商业化进展。
• 提供全固态电池未来商业化可行性的现实时间表与前景展望。

提出的方法

• 系统性回顾已发表的锂离子电池技术与固态电解质材料领域的文献及最新进展。
• 基于离子电导率、稳定性及可加工性，对三类主要固态电解质（硫化物、聚合物、氧化物）进行分类与分析。
• 对比液态电解质LIB与已报道的SSB原型在能量密度、循环寿命和倍率性能等性能指标上的表现。
• 回顾汽车与电子行业公司在研发及中试规模商业化方面的活动。
• 综合研究结果，基于技术与材料挑战，预测全固态电池商业化的现实时间表。
• 利用同行评审论文与行业报告中的数据，评估每条SSB技术路径的可行性与局限性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前最先进的液态电解质锂离子电池的关键性能特征与局限性是什么？
• RQ2 全固态电解质——特别是硫化物、聚合物和氧化物——能否克服阻碍其性能与稳定性达到液态电解质LIB水平的技术问题？
• RQ3 尽管产业界兴趣浓厚，阻碍全固态电池商业化的关键技术与材料挑战主要有哪些？
• RQ4 丰田、宝马和戴森等公司近期的商业化举措在技术路径与预期时间表方面有何异同？
• RQ5 全固态电池在电动汽车及其他应用中实现广泛商业化部署的现实时间表是什么？

主要发现

• 全固态电池（SSBs）通过采用金属锂负极而非碳负极，有望将能量密度提高约20%。
• 迄今为止，尚未有报道的全固态电池在所有性能指标上达到最先进的液态电解质锂离子电池水平，特别是在循环寿命和倍率性能方面。
• 硫化物基固态电解质具有高离子电导率，但面临化学不稳定性及与水分接触的安全隐患。
• 聚合物基电解质具有良好的可加工性与柔韧性，但在室温下离子电导率较低，限制了其实际应用。
• 氧化物基固态电解质具有良好的稳定性与中等离子电导率，但质地脆硬，难以加工成薄而致密的层状结构。
• 由于材料与界面问题尚未解决，全固态电池的商业化仍被推迟，目前尚无明确路径在2030年前实现广泛部署。