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更安全,更高效--全固态锂电池强势来袭
2019年03月04日 发布 分类:行业要闻 点击量:569
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自上世纪90年代索尼率先实现锂电池的商业化以来,锂离子电池技术蓬勃发展,不论是手机、笔记本等为代表的消费电子,还是城市道路上越来越多的电动汽车,锂电池凭借其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应和环境友好等特点,获得了众多领域的青睐。

但是,传统锂离子电池由于使用高度易燃的有机物液体电解质,具有热稳定性差、燃点低等安全缺陷。在不合理使用或外部撞击等情况下,极易引发自燃甚至爆炸。

 

1  2018年12月21日,美国广播公司报道的特斯拉Model S一天内发生两次自燃事件(图片来源:环球网)

全固态电池(ASSB)的出现为彻底解决安全性问题提供了可能ASSB并不是对锂电池的完全颠覆,而是用固态电解质替代有机液体电解液和隔膜材料。

 

2 全固态锂电池示意图

(图片来源:《全固态锂电池关键材料-固态电解质研究进展》)

2为全固态锂电池示意图。在充电过程中,锂离子从阴极出发,穿过电解质和电解质-电极界面进入阳极。在放电过程中,这个过程逆向进行。因此,固体电解质的主要功能和传统的“电解液+隔膜”组合一样,位于阴极和阳极之间,防止电子传导和短路。

全固态锂电池一般采用硫化物复合电解质,因而具有不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液的特点,即使在高温下也不会着火,这对锂电池的应用尤其是电动汽车上作为动力电池的安全性尤为重要。

此外,全固态电池的出现为利用金属锂替代传统碳负极提供了解决方案。金属锂具有高于传统碳负极材料十倍的能量密度,若能完美替代石墨,用作锂离子电池的负极材料,将为后者破解“续航里程差”的难题。此外,金属锂是自然界电化学势最低的材料,本身可以作为锂源,正极材料选择面更宽,可以是含锂或不含锂的嵌入化合物,也可以是硫或硫化物甚至空气

在传统的液基锂电池中,若使用金属锂作为负极材料,重复的充放电会导致其表面电流密度及锂离子分布不均匀,锂化合物发生不均匀溶解和沉积,形成孔洞和枝晶,枝晶穿过隔膜,从而为电子的传输提供了低电阻路径(使得电子不再通过外部电路执行工作),最终造成高的自放电电流,点燃易燃电解质。

 

3 锂电池的充放电循环会导致枝晶的产生,使正负极间产生低电阻通路

(图片来源:A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies

枝晶问题使锂在早期的负极材料探索中被石墨替代。但在传统电解液中无法被克服的枝晶问题,由于固态电解质的出现迎刃而解。

2017年3月,斯坦福大学的崔屹教授等人在国际顶尖期刊Nature Nanotechnology发表综述“Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries”,大谈金属锂电极的“复兴”趋势及其在高能锂电池中的应用。崔屹教授认为,尽管还有很多问题需要解决,金属锂电极的复兴势头似乎已经无法阻挡,而固态电解质和金属锂负极的结合是目前被认为最有希望的方案之一。

事实上,早在2010年,丰田就一直在固态电池领域默默探索。但是一直没有起色,直到2016年12月份向美国专利局提交的固态电池专利终于获批,博得各大版面的头条。据美国专利局公示的丰田固态电池专利申请内容,丰田研发的固态电池的电解质由硫化固态电解质材料构成,其中包含锂、磷、硫和碘元素,电极活性材料层则添加了特殊的磷酸酯,改善了电池的热稳定性。

除丰田以外,各大巨头均在固态电池板块有所动作。

2017年底,宝马与Solid Power建立合作伙伴关系双方将联手开发电动汽车专用的固态电池技术。此前,Solid Power宣称其在固态电池技术方面迎来了突破,这家公司在锂电池中混合了高容量的金属锂负极,并打造出了一种全新的固态电池,在重量相同的情况下,其电量为传统锂电池的2-3倍。

2018年9月,大众向Quantum Scape投资1亿美元,并计划在2025年实现固态电池量产。作为电池行业的新兴企业,成立于2010年的Quantum Scape有着相当雄厚的背景,作为斯坦福大学的衍生公司,拥有200多项固态电池技术专利和专利申请量。

菲斯克作为电动汽车的先驱品牌,早在2017年底就申请了关于固态锂离子电池的技术专利,这种固态锂离子电池借用了太阳能电池制造所采用的薄膜技术,使得电池的电芯内部存在多个堆积层。相较于常规电芯,其表面积达到了前者的27倍,而其能量密度达到了传统锂离子电池的2倍多,这样一来固态电池的续航里程和充电速度就会大大提升。据悉,其固态锂电池将率先搭载在Fisker旗下电动跑车EMotion上

 

4 Fisker Emotion(图片来源:网络)

国内方面,珈伟新能(300317)在2016年1月成立了珈伟隆能固态储能科技如皋有限公司致力于快速充电及长循环低成本储能锂离子电池及电池组模块、系统研发、生产、销售。公司项目建设总面积119182平方米,设计动力电池总产能21亿Wh/年

中国清陶(昆山)能源发展有限公司是一家从清华大学剥离出来的初创公司,它们在第二届锂电池技术与产业发展论坛上,成功展示了其能量密度高达400Wh/kg的固态锂电池商业化生产线。 据悉,该生产线可日产1万只固态电池,年产能为100兆瓦时,计划到2020年将年产能提升至700兆瓦时。 

赣锋锂业(002460)在2017年通过引进宁波材料所的许晓雄博士团队,正式切入固态电池领域,团队研发的固态电池,将充分利用赣锋锂业在上游锂资源的优势,将金属锂作为负极材料。目前公司固态电池已经开始做一些中试生产线建设的前期规划布局,工作团队已经全部到位,计划在2019年实现亿瓦时级别的量产规模

综合来看,国内外对固态电池的前景均抱乐观态度,其中主流的发展路线也就将固态电解质与金属锂负极进行结合。

小结

全固态锂电池可以避免液体电解质带来的负效用,提高电池的安全性和服役寿命;此外,其固体特点能有有效阻止锂枝晶的穿透,使得锂替代传统石墨负极材料成为可能。测试发现,配合锂负极的全固态电池的电芯能量密度显著高于负极为石墨或硅的锂离子电池。安全与高效,是固态锂电池有望成为下一个锂电池风口的底气。

参考文献

全固态锂电池关键材料-固态电解质研究进展;北京科技大学,陈龙,池上森,董源,李丹,张博晨,范丽珍。

A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery TechnologiesAndrew Ulvestad

Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries,Stanford University, Dingchang Lin, Yayuan Liu, Yi Cui

By:火宣


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