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未来可期的固态电池

未来可期的固态电池
2019-10-15

导读:不可否认的是,固态电池已经迈出产业化的步伐,未来可期!

(来源:微信公众号“电池联盟” ID:zgcbcu 作者:子蕊)

10月9日,诺贝尔化学奖授予了三位锂电池发明者——美国科学家约翰•古迪纳夫,美国科学家斯坦利•威廷汉以及日本科学家吉野彰。其中,被称为“锂电池之父”、现年97岁的古迪纳夫近期研究的重点是锂电池的前沿领域——固态电池。

随着科学的进步,液态锂电池的安全性已经不能满足人们对于锂电池的需求,科学家们正在研究更加安全和更高效的固态电池。其实,在这之前,关于固态电池的消息也是不断:

9月20日,爱驰汽车与辉能科技达成合作协议,双方将共同开展固态电池作为车载动力电池相关技术的开发与应用,推进动力固态电池商业化落地。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织近日宣布,将与日本化学品制造商Piotrek合作开发高能固态锂电池,计划在未来5年内面向全球市场推出,用于电子设备、无人机和电动汽车等领域。日前,雷诺汽车高级副总裁吉尔斯·诺曼德对外表示,到2025年,雷诺旗下电动汽车可能会使用钴含量为零的固态电池。有消息曝出,哪吒汽车与清陶新能源科技有限公司达成了全面深度合作,二者将共同推进固态电池的研发与应用,并加快在新能源车型上的商业化落地。

众多企业的纷纷布局,让固态电池成为市场上的宠儿。那固态电池受追捧的原因是什么呢?

安全,还是安全!

我们都知道,动力电池被称为电动汽车的“心脏”。而锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、循环效率高等优点,在新能源市场上颇受欢迎。但是,目前的锂离子电池技术尚未成熟,安全性不稳定,电动汽车电池起火、爆炸事故不断。其实事故频发的很大原因是电池内部使用了液态电解质。

专家认为,用固态电解质代替液态电解液,是能够提升锂电池安全性能的有效方法之一。原因是固态电解质不易燃,且不会产生液态电解液,可以解决电池的安全性问题,是最有可能成为下一代动力电池的技术路线。

固态电池使用固体电极和固体电解质,不仅可以有效地减少体积和质量,同时提升锂电池的能量密度,能够很好地解决当前三元锂电池高安全和高能量密度这一矛盾,或许会成为动力电池技术未来发展的重要方向。

固态电池的原理是:固态电解质所具有的密度及结构可以让更多带电离子聚集在一端,以传导更大的电流,进而提升电池容量。这样,同样的电量,固态电池体积更小。此外,由于没有电解液,固态电池的成本低、重量轻。

因为符合未来电池发展的趋势,目前,众多国内外车企业和电池厂商,都在加大固态电池布局。

最有可能抢占下一个先机

业内对于固态电池将成为未来电池的发展方向已达成共识,国内外企业都在加大固态电池的研发速度,希望抢占市场先机,由此也带来了行业上的竞争。

据外媒报道,韩国研究人员研发出一种技术,可以制成用于电动汽车的全固态二次电池。他们使用锂、镧、锆和氧材料,制成了高强度的复合电解质片。此类电池结构可以大大减小电池组的体积,同时消除电池爆炸或起火的风险,即使在空气中使用剪刀切割该电池,该电池也不会起火或爆炸。

由日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)牵头投资100亿日元,丰田、本田、日产、松下等23家日本汽车、电池和材料企业,以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究,计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术。

国内方面,中科院青岛能源所储能院崔光磊团队长期从事复合聚合物固态电解质研究,目前已研制出全海深高能量密度高安全固态锂电池动力系统,能量密度达300Wh/kg,并且在马里亚纳海沟完成1万米的高压环境下完成深海测试。

中科院宁波材料所许晓雄团队从事氧化物与硫化物固体电解质研究,已经开发出能量密度达到260Wh/Kg的10Ah固态单体电池。借助宁波材料所的技术,江西赣锋锂业在宁波当地投资5亿元人民币筹建亿瓦时固态动力锂电池生产线。第一代固态锂电池技术通过中汽研汽车检验中心检验,放电容量约13Ah,能量密度约245Wh/Kg,循环1000次后容量保持率大于90%。

此外,包括宁德时代、国轩高科在内的锂电巨头也都有涉猎固态电池的布局、研发。

未来虽已来但瓶颈仍存

尽管现在的固态电池技术已经取得很大的突破,但离商业化还有很长一段路要走,一些技术瓶颈还需要多方一起努力去突破。

固态电池最大的技术瓶颈是固体电解质离子电导率低。电解质可为锂离子在正负极之间搭建传输通道以实现电池内部电流的导通,决定锂离子运输顺畅情况的指标被称为离子电导率。离子电导率的高低直接影响了电池的整体阻抗和倍率性能,一般聚合物固体电解质的电导率都比较低。

界面阻抗大也是制约固态锂电池循环性能的一大难题。目前固体电解质与固体电极之间的界面接触阻抗值是电解质本体阻抗的10倍以上,严重影响了离子的传输,导致电池的循环寿命、倍率性能差。

此外,大部分无机固体电解质属于陶瓷电解质,机械性能相对较差等也是固态电池需要解决的问题。

后记:固态电池的发展,要经过半固态-准固态-全固态电池的过程,成本等问题也有待攻克。有专家认为,固态电池真正实现小规模量产预计在2020年以后,大规模应用需要更长的时间。但不可否认的是,固态电池已经迈出产业化的步伐,未来可期!



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