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走出实行室,固态电池量产技能迎庞大打破!
发布时间:2019-08-13 17:45:36
要害词:动力电池锂电池

走出实行室,固态电池量产技能迎庞大打破!


1991年索尼公司首次推出商业锂离子电池,此后宽广科研义务家和工程师的不懈起劲下,锂离子电池的各项功用都取得了大幅的晋升【1】,而锂离子电池的运用范畴也葱☆初的3C消费电子范畴扩展到了新能源汽车和分布式储能等范畴。锂离子电池动力电池范畴的运用也促使其对能量密度的寻求不时走高,尽管目前锂离子电池的能量密度曾经相当于最初索尼推生产品的3倍以上【2】,可是仍然无法满意日益添加的续航里程的需求。现在古板液态电解液锂离子电池的能量密度晋升曾经接近其极限值,难以满意下一代高比能动力电池的需求,于是主流的动力电池厂商也都纷纷构造下一代动力电池技能。


下一代动力电池浩繁的候选者之中,固态电池是最有期望的一种。全固态电池不光技能成熟度相对较高,也取得了像Goodenough、崔屹等一批国际顶尖学者的支撑,国表里浩繁锂离子电池企业也已将全固态电池技能举措主要的下一代技能储藏。全固态电池最分明的两大优势如下:


1.   高能量密度


目前的锂离子电池采用石墨材料举措负极,石墨的表面比容量仅为372mAh/g,远远无法满意高比能锂离子电池的需求,而金属Li负极的表面比容量可达3860mAh/g,是一种抱负的高比能电池负极材料,可是Li金属负极重复充放电的进程中会变成Li枝晶【3】,变成库伦服从低下和短道损害添加,而固态电解质具有高剪切模量的特性,可以更好的遏止Li枝晶的孕育【4】,于是固态电池中我们可以采用金属Li举措负极,相关研讨外明即使是较低的面密度下,采用金属Li交换古板的石墨仍然可以将电池的能量密度晋升35%以上。假如我们采用NCM811材料举措正极,电池的能量密度可以抵达500Wh/kg以上,即使是采用LFP举措正极电池的能量密度也可以晋升到300Wh/kg以上【5】。这是古板液态电解质锂离子电池所无法比较的。


2.   高平安性


平安性是目前液态电解质锂离子电池面临的另一棘手题目,而固态电解质的呈现让锂离子电池的平安性取得了大幅晋升。研讨外明采用液态电解质的Li/LFP电池90℃尊驾就开端爆发自放热反响,并178℃尊驾惹起了电池热失控,而采用固态电解质的Li/LFP电池自放热温度进步到了247℃以上,而且通通进程未爆发烧失控【6】。古板液态电解质锂离子电池往往是因为高温惹起的隔膜热紧缩和熔融而导致的大面积内短道激起烧失控,而以无机固态电解质为例,其热稳定性分明高于高分子会合物类隔膜材料【7】,于是高温导致正负极短道的损害确实为0,从而使得采用固态电解质的锂离子电池热失控损害大幅低沉。同时,即使是电池爆发了热失控,固态电解质的可燃因素也要远远低于古板的碳酸酯类电解液,从而可以分明低沉锂离子电池热失控的猛烈程度,关于动力电池的平安性具有分明的晋升。



固态电解质从因素上主要可以分为三大类:

1)氧化物电解质,比如常睹的LLZO类电解质;

2)硫化物电解质,比如Li2S–P2S5电解质;

3)有机会合物电解质,比如常睹的PEO基会合物电解质等。


这几类固态电解质各有优缺陷,总体上来看会合物电解质加工功用优异,能与电极材料变成精良的界面接触。可是该类电解质常温电导率较低,于是采用会合物电解质的锂离子电池很难60℃以下的温度举行义务。另外,以PEO基电解质为代外的固态会合物电解质高电位的正极一侧容易被氧化剖析,变成电池功用的恶化。硫化物固态电解质常温电导率十分高,与液态电解质接近,加工功用较好,可是大气状况中不稳定,容易与此中的水分生产剧毒的H2S气体,于是通通加工进程需求惰性气氛维护下举行,生产资本高。氧化物电解质电导率较高,气氛中的稳定性较好,可是其与电极材料的界面题目有待优化,而且氧化物电解质脆性较大,加工功用较差【11】。



固态电池举措最有期望的下一代动力电池候选者,各国都加入了大宗的资金展开相关技能研讨。举措锂离子电池第一强国的日本也2018年发布启动新一代高效“全固态电池”中心技能的开辟义务,丰田、本田、日产等23家汽车、电池和材料企业,以及15家学术机构到场该方案,方案到2022年厉密掌握全固态电池技能。日本的全固态技能道线重假如以硫化物为主,该范畴的领头羊丰田公司早2010年就推出了硫化物固态电池,2014年推出的原理样功用量密度更是抵达了400Wh/kg,据了解丰田方案2020年完成硫化物固态电池的产业化。


国内方面,全固态锂离子电池的研讨除了汇合各大高校,比如清华大学、中科院物理所、上海硅酸盐研讨所和青岛能源所等科研机构都展开了固态电池要害原材料、电池制备技能和工艺的研讨和开辟,各大动力电池厂商也都将固态电池技能举措下一代主要的技能储藏。包罗宁德时代、比亚迪等电池企业都举行相关技能的构造,可是依据各个公司的技能道线图,基本上都要等到2025年以后才干够推出相关技能产品。


然而,虽然固态电池具有目前锂离子电池所无法比较的优势,可是全固态电池的开辟仍然是一条充满迂回的道,仍然有大宗的题目需求抑制:


1. 界面接触不良


全固态电池中,过渡金属氧化物颗粒仍然是主要的正极材料,当制成电极时,会电极内变成大宗繁杂的孔隙,古板的液态电解质可以浸透这些孔隙,从而包管通通的活性物质都可以到场到电化学反响之中。可是固态电解质不具有活动性,于是很难包管活性物质颗粒与固态电解质的充沛接触,同时电池充放电进程中活性物质的体积改造也会进一步摧毁固态电解质与活性物质颗粒的接触界面,变成固态电解质与活性物质之间较大的接触阻抗【8】,影响固态锂离子电池的功用发挥。



2. 锂枝晶孕育


是的你没有看错,固态电池仍然保管锂枝晶题目,一般我们认为固态电解质精良的板滞强度可以有用的遏止Li枝晶的孕育,可是研讨却外明Li枝晶仍然可以沿着Li7La3Zr2O12(LLZO)和Li2S–P2S5两类固态电解质的晶界疾速孕育,往往几十次轮回就会爆发内短道【9】,告急影响全固态锂离子电池的运用寿命。



3. 界面稳定性题目


界面稳定性题目主要表示两个方面:一方面是少许古板的有机会合物电解质,比如PEO等高电压的正极一侧会爆发氧化剖析,导致接触阻抗添加及电池功用恶化【10】;另一方面,氧化物固态电解质和硫化物固态电解质会负极一侧爆发还原剖析,变成固态电池的功用下降。



4. 资本昂扬


高资本也是目前全固态锂离子电池急需办理的题目之一。以常睹的石榴石构造的LLZO电解质为例,其目今价钱高达2000$/kg,远高于古板的碳酸酯类电解液。其次,生产进程资本目前的固态电池资本中占比抵达75%。依据测算小批量生产时(10000只/年)其生产进程资本会高达750-2500$/kWh,即使是生产范围扩展到1亿只/年,其生产进程资本仍然高达75-240$/kWh,电池资本中占比超越50%,远高于目前的锂离子电池工艺资本【11】。



固态锂电池的三种技能道线之争由来已久。固态电池技能开展的早期,因为固态电解质材料电导率相对较低,研发的要点大都汇合进步固态电解质的电导率方面,于是具有高离子电导率的硫化物电解质和氧化物固态电解质吸引了广泛体恤。可是跟着技能的不时进步,人们发明电导率曾经不是限制固态电池开展的主要因素【5,11】,界面题目和量产工艺渐渐成为固态电池需求抑制的下一难点。硫化物和氧化物类电解质板滞加工功用较差,界面接触题目和量产化工艺题目迟迟无法办理,而会合物电解质因为具有优秀的加工特征和精良的界面接触成为三种技能道线中最有期望的一种。


会合物基固态锂离子电池学术研讨方面曾经取得了长足进步,可是其产业化历程仍然相对迟缓,目前尚无明晰的商业化时间外。与其他厂商慢半拍的节奏变成光显比照,国内顶尖的动力电池制制商万向一二三6月24日放出重磅新闻,发布其与先辈材料公司Ionic Materials全固态电池的研发上取得了里程碑式的希望。该公司通过将Ionic Materials公司的先辈导电会合物材料技能与A123的三元/石墨材料技能联合,开辟出一款高能量密度、高平安性固态锂离子电池产品。该效果使得批量制制大尺寸全固态锂离子电池成为实行,促进了电动汽车朝着更平安、更轻量化的目标迈进。



万向一二三为何可以领先其他动力电池厂啥菖先推出会合物固态锂离子电池产品呢?这与其办理了会合物电解质高电位正极材料的耐氧化才能相关。我们晓得古板的PEO基会合物电解质虽然具有相对可承受的高温离子电导率,可是因为其主链中C-O键的保管使其抗氧化才能较差,难以电压高于4V的电化学体系中运用,这关于寻求高能量密度的动力电池而言无疑是无法承受的。针对此题目,万向一二三与Ionic Materials公司强强联合,通过材料外面包覆改性,会合物电解质改性等手腕有用办理了会合物电解质高电位正极氧化剖析的题目,分明改良了高电压体系会合物电池的倍率和轮回功用(如下图所示),使得NCM811材料会合物基固态锂离子电池中的运用成为了可以。



“平安”是万向一二三动力电池研制和生产中永久保持的底线,该标准全固态锂离子电池的开辟中也不破例。比较于古板的液态电解质锂离子电池,固态锂离子电池因为没有运用易燃、易挥发的碳酸酯类电解液,于是平安性上取得了大幅的晋升,10Ah固态电池随手通过了厉苛的针刺实行,针刺进程中电池最高温度仅为39℃,完备没有爆发动火和爆炸,这关于晋升电动汽车的平安性具有十分主要的原理。


资本题目是全固态锂离子电池运用的一道难以跨越的妨碍,研讨外明目前全固态电池制制工艺的生产进程资本占比高达75%以上【11】,使得全固态电池的资本居高不下。万向一二三打破现有固态电池生产工艺的限制,立异性地应用古板锂离子电池生产配备完成了全固态电池的量产,大幅地低沉了生产资本,为全固态电池的运用扫平了着末一道妨碍。



万向一二三固态电池方面的胜利源于其精准的道线定位,其他厂商还三种技能道线之间彷徨时,万向就尖锐的看法到了会合物电解质体系固态电池上运用的庞大潜力,并疾速与会合物电解质范畴的领先企业Ionic Materials修立厉密的计谋协作联系,将对方会合物电解质方面的优势与万向三元/石墨材料体系方面的优势相联合,完成了全固态电池量产技能的打破。“万向和Ionic Materials的起劲协作是一次极具创制性和胜利的协作。此次协作最终发生了我们引认为傲的技能先辈的产品。我们很侥幸能成为行业的先行者率先推出这款产品”,万向一二三首席技能官Jim Paye如是说。Ionic Materials首席施行官Mike Zimmerman对另外示赞同“我们两家公司之间协同发生的一系列协作是不时开展的电池范畴取得胜利的须要条件。我们等候着未来,我们将这项技能商业化运用的进程中继续取得胜利”。


万向是国际一流的动力电池体系计划和制制商,恒久以后万向保持“平安『镶一血色底线不摆荡,其制制的48V轻混体系依靠着精美的功用和优异的平安功用博得了墟市的广泛承认,使得万向牢牢占领举世最大48V体系制制商这一宝座。此次推出的全固态锂离子电池是万向一二三改良锂离子电池平安性上的又一里程碑式成绩,也彰显了万向保持平安这一底线不摆荡的决计和毅力。保剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来,万向恒久以后保持技能驱动型开展,其产品涵盖从高功率轻混体系,交通运输高能量密度办理方案,及储能体系,是举世锂离子动力电池及体系计划制制范畴的举世指导者。


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稿件根源: 新能源Leader
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