【锂】固态电解质:锂电池的下一个风口

2017年08月24日 9:30 3316次浏览 来源:   分类:

  锂电安全一直都是行业关心的问题。由于应用端及政策层面对能量密度的要求不断提升,三元电池成为主流技术路线的趋势已不可逆转。但时至今日,困扰三元电池的安全性仍然没有得到很好的解决,就连号称BMS做到全球最好的特斯拉,也是安全事故不断,2017年仅国内就有两辆Model S发生严重起火事件,三元电池的安全性仍然受到大家的质疑。
  面对行业发展的痛点,行业专家、企业都在不断寻找新的发展思路,电解液就是其中一个思路。众所周知,电解液是锂离子电池不可或缺的重要组成部分,是锂离子电池获得高电压、高循环性能等优点的必备条件。锂离子电池通常采用有机溶剂作为电解液,而这类有机溶剂极易燃烧,电池一旦由于内短路产生高温或者火花,电解液将在瞬间被点燃并导致整个电池发生爆炸。新的思路是,将易燃的液态电解液,变成固态电解质,降低因为易燃而导致的安全风险,同时也能获得更好的性能。随着新能源汽车的发展,高能量密度、高安全性电池成为市场的必争目标。有专家认为,利用固态电解质替代传统电解质是从本质上提升锂电池安全性的必由之路。
  美国麻省理工学院博士后王燕(音译)和材料与工程学教授格布兰德·塞达尔表示,固态电解质将是“一个真正的游戏规则颠覆者”,它将打造出一款完美的电池--固态电解质电池,解决目前锂离子电池所面临的绝大多数问题,让电池的寿命、安全性以及成本之间实现最佳平衡。
  那么固态电解质电池具有怎样的魅力呢?
  北京理工大学电动车辆国家工程实验室、中国电工技术学会电动车辆专业委员会委员孙立清曾表示,固态电解质电池将是下一个风口,是新能源电池未来主要发展趋势。相较于传统锂电池,固态锂电池的差异在于电解质固态化,理论上存在一定的优势。
  安全性能高。由于液态电解质中含有易燃的有机溶液,发生短路温度骤升时容易发生燃烧和爆炸,需要安装抗温升和防短路的安全装置结构。而固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,也克服了锂枝晶现象,因而全固态电池具有极高安全性。
  能量密度高。目前,市场中应用的锂电池能量密度为200Wh/kg,如果采用固态电解质,锂电池能量密度基本可达300-400Wh/kg,几乎翻了一番。
  相对较轻。相比液态电池,相同容量的电池组,固态电解质电池相对较轻。比如特斯拉-松下生产的三元锂电池组质量达到900kg,而固态电池创业公司Seeo Inc生产的相同容量电池组的质量却只有323kg,接近前者的三分之一。
  循环性能强。固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象,大大提升了锂电池的循环性和使用寿命,理想情况下循环性能表现优异,能够达到45000次左右。
  固态电解质拥有更优势的同时,也存在一定的缺点,这也是将固态电解质电池止步于商业化的主要原因。
  界面阻抗过大。与传统锂电池相比,固态电解质电池的固-固界面存在电极与电解质之间有效接触较弱,离子在固体物质中传输动力学低等问题,为了避免因空间电荷层导致的高界面阻抗,专家不断进行实验,期望早日突破。
  快充比较难。固态电解质电池有倍率性能很低的LiPON系列电池(实际上氧化物体系的电解质普遍倍率性能不佳),也可以基于硫系高性能电解质做出高倍率还不错的固态锂硫电池。但是总体来说,作为动力电源使用,固态电解质电池在高倍率性能方面还是有很多挑战的。
  成本价格高。据了解,液态电解质锂电池的成本大约在200-300美元/千瓦时,如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电解质电池,其成本会达到1.5万美元,而足以为汽车供电的固态电解质电池成本更是达到令人咋舌的9000万美元。
  其实,固态电解质电池并不是新鲜内容。中国工程院陈立泉院士曾表示,如果现在还不布局全固态电池,将会错失发展时机。企业看好固态电池的前景,纷纷布局。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。
  技术和材料的进步,让国内外越来越多的机构和企业看到了固态电池的光明前景,纷纷投入到固态电池的研发和生产中来,国外在这一领域起步较早并取得了一定的成果,大致情况如下:
  从上表可以看出,聚焦固态电池不止有国外机构,还包括不少的国内机构。目前国内从事固态电池研究的机构企业主要有中科院化学所、中科院青岛能源所、中科院宁波材料所、宁德时代、中航锂电、珈伟股份、横店东磁、台湾辉能等。这些企业也已取得一定突破,具体情况如下:

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  珈伟股份:2016年11月15日珈伟股份公司在上海发布了全球首例固态锂电池与快充锂电池,同时表示,将全力加速固态锂电池与快充锂电池的合体,将更深一层的安全保障与超强性能合二为一。
  宁德时代:宁德时代研发经理郭永胜表示,宁德时代正在积极布局动力电池下一代技术,在固态锂电池方面的投入研发比较多,同时也在开发固态电池的制造工艺。
  此外,横店东磁也表示,将组织研发固态电池。
  固态电解质作为未来电池技术方向之一,尽管在电解质材料以及成本、工艺上还有相当长的路要走,但面对其巨大的商业价值空间,一定还会有更多电池产业链企业投入其中。而随着研发技术的推动和深入,固态电池产业化的步伐也将离我们越来越近。

责任编辑:李峒峒

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