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固態(tài)電解質(zhì):鋰電池的下一個(gè)風(fēng)口

作者: 時(shí)間:2017-08-23 來源:電池中國網(wǎng) 收藏
編者按:固態(tài)電解質(zhì)作為未來電池技術(shù)方向之一,盡管在電解質(zhì)材料以及成本、工藝上還有相當(dāng)長的路要走,但面對(duì)其巨大的商業(yè)價(jià)值空間,一定還會(huì)有更多電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)投入其中。而隨著研發(fā)技術(shù)的推動(dòng)和深入,固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的步伐也將離我們越來越近。

  鋰電安全一直都是行業(yè)關(guān)心的問題。由于應(yīng)用端及政策層面對(duì)能量密度的要求不斷提升,三元電池成為主流技術(shù)路線的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。但時(shí)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(hào)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(nèi)就有兩輛Model S發(fā)生嚴(yán)重起火事件,三元電池的安全性仍然受到大家的質(zhì)疑。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201708/363405.htm

  面對(duì)行業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn),行業(yè)專家、企業(yè)都在不斷尋找新的發(fā)展思路,電解液就是其中一個(gè)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(huán)性能等優(yōu)點(diǎn)的必備條件。鋰離子電池通常采用有機(jī)溶劑作為電解液,而這類有機(jī)溶劑極易燃燒,電池一旦由于內(nèi)短路產(chǎn)生高溫或者火花,電解液將在瞬間被點(diǎn)燃并導(dǎo)致整個(gè)電池發(fā)生爆炸。新的思路是,將易燃的液態(tài)電解液,變成,降低因?yàn)橐兹级鴮?dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也能獲得更好的性能。隨著新能源汽車的發(fā)展,高能量密度、高安全性電池成為市場的必爭目標(biāo)。有專家認(rèn)為,利用替代傳統(tǒng)電解質(zhì)是從本質(zhì)上提升安全性的必由之路。

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

  那么固態(tài)電解質(zhì)電池具有怎樣的魅力呢?

  北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國家工程實(shí)驗(yàn)室、中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛專業(yè)委員會(huì)委員孫立清曾表示,固態(tài)電解質(zhì)電池將是下一個(gè)風(fēng)口,是新能源電池未來主要發(fā)展趨勢。相較于傳統(tǒng),固態(tài)的差異在于電解質(zhì)固態(tài)化,理論上存在一定的優(yōu)勢。

固態(tài)電解質(zhì):鋰電池的下一個(gè)風(fēng)口

  圖為固態(tài)電解質(zhì)原理圖

  安全性能高。由于液態(tài)電解質(zhì)中含有易燃的有機(jī)溶液,發(fā)生短路溫度驟升時(shí)容易發(fā)生燃燒和爆炸,需要安裝抗溫升和防短路的安全裝置結(jié)構(gòu)。而固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題,也克服了鋰枝晶現(xiàn)象,因而全固態(tài)電池具有極高安全性。

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

  相對(duì)較輕。相比液態(tài)電池,相同容量的電池組,固態(tài)電解質(zhì)電池相對(duì)較輕。比如特斯拉-松下生產(chǎn)的三元鋰電池組質(zhì)量達(dá)到900kg,而固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司Seeo Inc生產(chǎn)的相同容量電池組的質(zhì)量卻只有323kg,接近前者的三分之一。

  循環(huán)性能強(qiáng)。固態(tài)電解質(zhì)解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)界面膜的問題和鋰枝晶現(xiàn)象,大大提升了鋰電池的循環(huán)性和使用壽命,理想情況下循環(huán)性能表現(xiàn)優(yōu)異,能夠達(dá)到45000次左右。

  固態(tài)電解質(zhì)擁有更優(yōu)勢的同時(shí),也存在一定的缺點(diǎn),這也是將固態(tài)電解質(zhì)電池止步于商業(yè)化的主要原因。

固態(tài)電解質(zhì):鋰電池的下一個(gè)風(fēng)口

  圖為全固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖以及電池性能

  界面阻抗過大。與傳統(tǒng)鋰電池相比,固態(tài)電解質(zhì)電池的固-固界面存在電極與電解質(zhì)之間有效接觸較弱,離子在固體物質(zhì)中傳輸動(dòng)力學(xué)低等問題,為了避免因空間電荷層導(dǎo)致的高界面阻抗,專家不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn),期望早日突破。

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

  成本價(jià)格高。據(jù)了解,液態(tài)電解質(zhì)鋰電池的成本大約在200-300美元/千瓦時(shí),如果使用現(xiàn)有技術(shù)制造足以為智能手機(jī)供電的固態(tài)電解質(zhì)電池,其成本會(huì)達(dá)到1.5萬美元,而足以為汽車供電的固態(tài)電解質(zhì)電池成本更是達(dá)到令人咋舌的9000萬美元。

  其實(shí),固態(tài)電解質(zhì)電池并不是新鮮內(nèi)容。中國工程院陳立泉院士曾表示,如果現(xiàn)在還不布局全固態(tài)電池,將會(huì)錯(cuò)失發(fā)展時(shí)機(jī)。企業(yè)看好固態(tài)電池的前景,紛紛布局。早在2010年,豐田就一直在固態(tài)電池領(lǐng)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(tài)電池專利終于獲批,博得各大版面的頭條。

  據(jù)美國專利局公示的豐田固態(tài)電池專利申請(qǐng)內(nèi)容,豐田研發(fā)的固態(tài)電池的電解質(zhì)由硫化固態(tài)電解質(zhì)材料構(gòu)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(wěn)定性。

  技術(shù)和材料的進(jìn)步,讓國內(nèi)外越來越多的機(jī)構(gòu)和企業(yè)看到了固態(tài)電池的光明前景,紛紛投入到固態(tài)電池的研發(fā)和生產(chǎn)中來,國外在這一領(lǐng)域起步較早并取得了一定的成果,大致情況如下:


固態(tài)電解質(zhì):鋰電池的下一個(gè)風(fēng)口


  從上表可以看出,聚焦固態(tài)電池不止有國外機(jī)構(gòu),還包括不少的國內(nèi)機(jī)構(gòu)。目前國內(nèi)從事固態(tài)電池研究的機(jī)構(gòu)企業(yè)主要有中科院化學(xué)所、中科院青島能源所、中科院寧波材料所、寧德時(shí)代、中航鋰電、珈偉股份、橫店東磁、臺(tái)灣輝能等。這些企業(yè)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(fā)布了全球首例固態(tài)鋰電池與快充鋰電池,同時(shí)表示,將全力加速固態(tài)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(qiáng)性能合二為一。

  寧德時(shí)代:寧德時(shí)代研發(fā)經(jīng)理郭永勝表示,寧德時(shí)代正在積極布局動(dòng)力電池下一代技術(shù),在固態(tài)鋰電池方面的投入研發(fā)比較多,同時(shí)也在開發(fā)固態(tài)電池的制造工藝。

  此外,橫店東磁也表示,將組織研發(fā)固態(tài)電池。

  固態(tài)電解質(zhì)作為未來電池技術(shù)方向之一,盡管在電解質(zhì)材料以及成本、工藝上還有相當(dāng)長的路要走,但面對(duì)其巨大的商業(yè)價(jià)值空間,一定還會(huì)有更多電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)投入其中。而隨著研發(fā)技術(shù)的推動(dòng)和深入,固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的步伐也將離我們越來越近。



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