【会议报告】提升固态锂离子电池与金属空气电池特性

为了在2050年之前实现碳中和，80%的化石燃料将被可再生能源取代，在能源替代方面，锂离子电池等储能装置将会广泛应用于智能电网和电动汽车等领域。其中全固态锂离子电池由于其高安全性和高能量密度被广泛认为是下一代储能技术的关键。此外，金属-空气电池也是未来广泛关注的课题之一，它能够同时解决与二氧化碳相关的环境问题以及不断增长的可持续能源存储需求。

固态锂离子电池

固态锂电池相比液态电池最大的区别就是将液态电解质换成固体电解质，同时取消了隔膜部件。固体电解质是全固态锂电池的核心部件之一，其性能的优劣直接关系到电池的电化学性能以及安全性。此外，固态锂电池负极可以使用锂金属取代石墨，与传统的液态锂电池相比可大大提升能量密度，而且不存在液态电解液易挥发、易燃的问题，具有较好的安全性。

因为固态锂电池和液态锂电池在工作原理上并无区别，只是电解质为固态与液态的区别，所以固态电池大规模商用的可能性较高。由于固态电池不再使用石墨负极，而是直接使用金属锂负极，所以大大减轻负极材料用量，使得整个电池的能量密度明显提高。目前实验室已试制出能量密度为300-400Wh/kg的全固态电池，安全性能也比较高，不过该种电池体积较小，成本较高，目前仅在苹果手机等高端小巧设备上有应用。

金属-空气电池

金属-空气电池的结构主要由金属电极、 空气电极、电解质三部分组成。

① 金属电极由 Zn、Mg、Al、Li、Na 等金属构成。

② 空气电极由防水透气层、气体扩散层、催化剂层和导电层 4 部分构成。

③ 电解液有水性（以中性、碱性居多）和非水性。

水系和非水系金属－空气电池结构示意图及工作原理

金属空气电池是以空气电极作为正极，金属电极作为负极的电化学电池。放电时，金属离子从负极向正极移动，与从空气中吸入的氧发生反应而产生电。而在充电过程中，金属离子与氧分离从正极移动到负极。空气中的氧气可源源不断地通过气体扩散，到达电化学反应界面与金属反应而放出电能。

固态锂离子电池和金属-空气电池的差异性

金属-空气电池具有能量密度高、成本低和安全便携等优势。目前，研究较多的锌-空气电池（能量密度为1086Wh/kg）和锂-空气电池（能量密度为3458Wh/kg），其能量密度远高于固态锂离子电池的能量密度。金属-空气电池的续航里程长，单次续航里程可达2000公里，不仅如此，金属-空气电池比能量有望超过700Wh/kg，是锂离子电池的10倍，体积更小，重量更轻。但是金属电极过于活泼，碰见水蒸汽马上会发生剧烈氧化还原反应，其安全性、稳定较差，所以，金属-空气电池的应用还有诸多技术难关要攻克。

针对固态电池相关的技术、材料、市场及产业等方面的问题，中国粉体网将在昆山举办第五届高比能固态电池关键材料技术大会。为致力于固态电池技术开发的企业，科研院校，以及电动车、储能、特种应用等终端企业提供信息交流的平台，开展产、学、研合作，共同推动行业发展。届时，台湾大学化学系特聘教授刘如熹将作题为《提升固态锂离子电池与金属空气电池特性》的报告。报告主讲人将介绍固态电解质的发展与特性提升，并介绍金属-空气电池与固态锂离子电池的差异性。

专家简介：

刘如熹，台湾大学化学系特聘教授，2015年获国际IUPAC & NMS于新颖材料与合成之杰出研究奖。2017年获中山学术论文奖。2018、 2019 、2020与2021年被科睿唯安(Clarivate Analytics)获选为跨领域全球高被引学者（Highly Cited Researchers）。2018年获「侯金堆杰出荣誉奖」(基础科学：数理)。2019年获「有庠科技讲座」(绿色科技)及东元奖(化工/材料科技领域)。2020年获学术奖与化学会学术奖章。2021年获未来科技奖与中国化学会会志最佳论文奖。至今论文发表于已发表超过600篇论文于国际期刊，被引用总次数达30,133次，平均每篇被引用53次，h-index为89。获得专利200余件。

参考来源：

赵俊凯等.锂离子电池固态电解质的研究进展

郝跃辉等.异质结构碳材料的金属空气电池应用研究进展

固态电池？锂硫电池？锂空气电池？动力电池性能提升空间有多少？.中润汉泰

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