【會議報告】提升固態鋰離子電池與金屬空氣電池特性

為了在2050年之前實現碳中和，80%的化石燃料將被可再生能源取代，在能源替代方面，鋰離子電池等儲能裝置將會廣泛應用于智能電網和電動汽車等領域。其中全固態鋰離子電池由于其高安全性和高能量密度被廣泛認為是下一代儲能技術的關鍵。此外，金屬-空氣電池也是未來廣泛關注的課題之一，它能夠同時解決與二氧化碳相關的環境問題以及不斷增長的可持續能源存儲需求。

固態鋰離子電池

固態鋰電池相比液態電池最大的區別就是將液態電解質換成固體電解質，同時取消了隔膜部件。固體電解質是全固態鋰電池的核心部件之一，其性能的優劣直接關系到電池的電化學性能以及安全性。此外，固態鋰電池負極可以使用鋰金屬取代石墨，與傳統的液態鋰電池相比可大大提升能量密度，而且不存在液態電解液易揮發、易燃的問題，具有較好的安全性。

因為固態鋰電池和液態鋰電池在工作原理上并無區別，只是電解質為固態與液態的區別，所以固態電池大規模商用的可能性較高。由于固態電池不再使用石墨負極，而是直接使用金屬鋰負極，所以大大減輕負極材料用量，使得整個電池的能量密度明顯提高。目前實驗室已試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池，安全性能也比較高，不過該種電池體積較小，成本較高，目前僅在蘋果手機等高端小巧設備上有應用。

金屬-空氣電池

金屬-空氣電池的結構主要由金屬電極、 空氣電極、電解質三部分組成。

① 金屬電極由 Zn、Mg、Al、Li、Na 等金屬構成。

② 空氣電極由防水透氣層、氣體擴散層、催化劑層和導電層 4 部分構成。

③ 電解液有水性（以中性、堿性居多）和非水性。

水系和非水系金屬－空氣電池結構示意圖及工作原理

金屬空氣電池是以空氣電極作為正極，金屬電極作為負極的電化學電池。放電時，金屬離子從負極向正極移動，與從空氣中吸入的氧發生反應而產生電。而在充電過程中，金屬離子與氧分離從正極移動到負極。空氣中的氧氣可源源不斷地通過氣體擴散，到達電化學反應界面與金屬反應而放出電能。

固態鋰離子電池和金屬-空氣電池的差異性

金屬-空氣電池具有能量密度高、成本低和安全便攜等優勢。目前，研究較多的鋅-空氣電池（能量密度為1086Wh/kg）和鋰-空氣電池（能量密度為3458Wh/kg），其能量密度遠高于固態鋰離子電池的能量密度。金屬-空氣電池的續航里程長，單次續航里程可達2000公里，不僅如此，金屬-空氣電池比能量有望超過700Wh/kg，是鋰離子電池的10倍，體積更小，重量更輕。但是金屬電極過于活潑，碰見水蒸汽馬上會發生劇烈氧化還原反應，其安全性、穩定較差，所以，金屬-空氣電池的應用還有諸多技術難關要攻克。

針對固態電池相關的技術、材料、市場及產業等方面的問題，中國粉體網將在昆山舉辦第五屆高比能固態電池關鍵材料技術大會。為致力于固態電池技術開發的企業，科研院校，以及電動車、儲能、特種應用等終端企業提供信息交流的平臺，開展產、學、研合作，共同推動行業發展。屆時，臺灣大學化學系特聘教授劉如熹將作題為《提升固態鋰離子電池與金屬空氣電池特性》的報告。報告主講人將介紹固態電解質的發展與特性提升，并介紹金屬-空氣電池與固態鋰離子電池的差異性。

專家簡介：

劉如熹，臺灣大學化學系特聘教授，2015年獲國際IUPAC & NMS于新穎材料與合成之杰出研究獎。2017年獲中山學術論文獎。2018、 2019 、2020與2021年被科睿唯安(Clarivate Analytics)獲選為跨領域全球高被引學者（Highly Cited Researchers）。2018年獲「侯金堆杰出榮譽獎」(基礎科學：數理)。2019年獲「有庠科技講座」(綠色科技)及東元獎(化工/材料科技領域)。2020年獲學術獎與化學會學術獎章。2021年獲未來科技獎與中國化學會會志最佳論文獎。至今論文發表于已發表超過600篇論文于國際期刊，被引用總次數達30,133次，平均每篇被引用53次，h-index為89。獲得專利200余件。

參考來源：

趙俊凱等.鋰離子電池固態電解質的研究進展

郝躍輝等.異質結構碳材料的金屬空氣電池應用研究進展

固態電池？鋰硫電池？鋰空氣電池？動力電池性能提升空間有多少？.中潤漢泰

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