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固態電解質:鋰電池的下一個風口

作者:王瀟敏 來源:電池中國 發布時間:2017-08-22 瀏覽:
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鋰電安全一直都是行業關心的問題。由于應用端及政策層面對能量密度的要求不斷提升,三元電池成為主流技術路線的趨勢已不可逆轉。但時至今日,困擾三元電池的安全性仍然沒有得到很好的解決,就連號稱BMS做到全球最好的特斯拉,也是安全事故不斷,2017年僅國內就有兩輛Model S發生嚴重起火事件,三元電池的安全性仍然受到大家的質疑。

面對行業發展的痛點,行業專家、企業都在不斷尋找新的發展思路,電解液就是其中一個思路。眾所周知,電解液是鋰離子電池不可或缺的重要組成部分,是鋰離子電池獲得高電壓、高循環性能等優點的必備條件。鋰離子電池通常采用有機溶劑作為電解液,而這類有機溶劑極易燃燒,電池一旦由于內短路產生高溫或者火花,電解液將在瞬間被點燃并導致整個電池發生爆炸。新的思路是,將易燃的液態電解液,變成固態電解質,降低因為易燃而導致的安全風險,同時也能獲得更好的性能。隨著新能源汽車的發展,高能量密度、高安全性電池成為市場的必爭目標。有專家認為,利用固態電解質替代傳統電解質是從本質上提升鋰電池安全性的必由之路。

美國麻省理工學院博士后王燕(音譯)和材料與工程學教授格布蘭德·塞達爾表示,固態電解質將是“一個真正的游戲規則顛覆者”,它將打造出一款完美的電池——固態電解質電池,解決目前鋰離子電池所面臨的絕大多數問題,讓電池的壽命、安全性以及成本之間實現最佳平衡。

那么固態電解質電池具有怎樣的魅力呢?

北京理工大學電動車輛國家工程實驗室、中國電工技術學會電動車輛專業委員會委員孫立清曾表示,固態電解質電池將是下一個風口,是新能源電池未來主要發展趨勢。相較于傳統鋰電池,固態鋰電池的差異在于電解質固態化,理論上存在一定的優勢。

圖為固態電解質原理圖

安全性能高。由于液態電解質中含有易燃的有機溶液,發生短路溫度驟升時容易發生燃燒和爆炸,需要安裝抗溫升和防短路的安全裝置結構。而固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題,也克服了鋰枝晶現象,因而全固態電池具有極高安全性。

能量密度高。目前,市場中應用的鋰電池能量密度為200Wh/kg,如果采用固態電解質,鋰電池能量密度基本可達300-400Wh/kg,幾乎翻了一番。

相對較輕。相比液態電池,相同容量的電池組,固態電解質電池相對較輕。比如特斯拉-松下生產的三元鋰電池組質量達到900kg,而固態電池創業公司Seeo Inc生產的相同容量電池組的質量卻只有323kg,接近前者的三分之一。

循環性能強。固態電解質解決了液態電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜的問題和鋰枝晶現象,大大提升了鋰電池的循環性和使用壽命,理想情況下循環性能表現優異,能夠達到45000次左右。

固態電解質擁有更優勢的同時,也存在一定的缺點,這也是將固態電解質電池止步于商業化的主要原因。

圖為全固態鋰電池結構示意圖以及電池性能

界面阻抗過大。與傳統鋰電池相比,固態電解質電池的固-固界面存在電極與電解質之間有效接觸較弱,離子在固體物質中傳輸動力學低等問題,為了避免因空間電荷層導致的高界面阻抗,專家不斷進行實驗,期望早日突破。

快充比較難。固態電解質電池有倍率性能很低的LiPON系列電池(實際上氧化物體系的電解質普遍倍率性能不佳),也可以基于硫系高性能電解質做出高倍率還不錯的固態鋰硫電池。但是總體來說,作為動力電源使用,固態電解質電池在高倍率性能方面還是有很多挑戰的。

成本價格高。據了解,液態電解質鋰電池的成本大約在200-300美元/千瓦時,如果使用現有技術制造足以為智能手機供電的固態電解質電池,其成本會達到1.5萬美元,而足以為汽車供電的固態電解質電池成本更是達到令人咋舌的9000萬美元。

其實,固態電解質電池并不是新鮮內容。中國工程院陳立泉院士曾表示,如果現在還不布局全固態電池,將會錯失發展時機。企業看好固態電池的前景,紛紛布局。早在2010年,豐田就一直在固態電池領域默默探索。但是一直沒有起色,直到2016年12月份向美國專利局提交的固態電池專利終于獲批,博得各大版面的頭條。

據美國專利局公示的豐田固態電池專利申請內容,豐田研發的固態電池的電解質由硫化固態電解質材料構成,其中包含鋰、磷、硫和碘元素,電極活性材料層則添加了特殊的磷酸酯,改善了電池的熱穩定性。

技術和材料的進步,讓國內外越來越多的機構和企業看到了固態電池的光明前景,紛紛投入到固態電池的研發和生產中來,國外在這一領域起步較早并取得了一定的成果,大致情況如下:

 

從上表可以看出,聚焦固態電池不止有國外機構,還包括不少的國內機構。目前國內從事固態電池研究的機構企業主要有中科院化學所、中科院青島能源所、中科院寧波材料所、寧德時代、中航鋰電、珈偉股份、橫店東磁、臺灣輝能等。這些企業也已取得一定突破,具體情況如下:

珈偉股份:2016年11月15日珈偉股份公司在上海發布了全球首例固態鋰電池與快充鋰電池,同時表示,將全力加速固態鋰電池與快充鋰電池的合體,將更深一層的安全保障與超強性能合二為一。

寧德時代:寧德時代研發經理郭永勝表示,寧德時代正在積極布局動力電池下一代技術,在固態鋰電池方面的投入研發比較多,同時也在開發固態電池的制造工藝。

此外,橫店東磁也表示,將組織研發固態電池。

固態電解質作為未來電池技術方向之一,盡管在電解質材料以及成本、工藝上還有相當長的路要走,但面對其巨大的商業價值空間,一定還會有更多電池產業鏈企業投入其中。而隨著研發技術的推動和深入,固態電池產業化的步伐也將離我們越來越近。

 

關鍵字:電解質 鋰電池

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