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固態鋰電池的挑戰

說兩句

圈子: 2019-01-25 16:14:44

固態鋰電池的挑戰

什么是固態電池?全固態電池到底是一種什么樣的技術?


如果通俗地講,全固態電池就是里面沒有氣體、沒有液體,所有材料都以固態形式存在的電池。

 

而考慮到現在人們日常生活中最為常見的電池為鋰離子電池,我們在這里將默認把“全固態鋰離子電池”當做全固態電池的代表(暫時忽略全固態鋰硫等新型電池)。

 

本文也會著重介紹全固態鋰離子電池(以下將全部簡稱為“全固態電池”)的各方面,以饗讀者。

 

一般來說,鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、結構殼體等部分組成,其中電解液使得電流可以在電池內部以離子形式傳導。

 

電解液技術是鋰電池的核心技術之一,也是現在電池工業中利潤很高的一個組成部分。

 

但是很多讀者可能發現過自己的鋰電池用久后有的會鼓脹,而在更極端的小概率事件下,有的甚至會發生危險(比如近來的扭扭車的電池爆炸事件,導致了相關的生產企業和電池企業遇到了全面的困難)。

 

另外一般來說,現在的鋰離子電池的工作溫度范圍有限,在40 度以上的高溫下壽命會急劇縮短,安全性能會也出現很大的問題(所以特斯拉MODEL S會有一套嚴格的電池溫控系統,就是為此)。

 

實際上,以上所說的幾個安全方面的問題都是與我們現在電池用的有機體系的電解液直接相關的。

 

而為了解決電池安全問題,提高能量密度,目前科研界和工業界都在研發以及生產全固態電池,也就是把傳統的鋰離子電池的隔膜和電解液,換成固態的電解質材料。

 

那么說來說去,相比于我們生活中最常見的普通鋰離子電池,全固態電池的優點主要有哪些呢?首先,我們要知道——

 

影響普通鋰離電池的安全性的因素主要有哪些?

 

1)電極材料特性,比如在大電流下工作有可能出現鋰枝晶,從而刺破隔膜導致短路破壞;

 

2)電解液為有機液體,在高溫下發生副反應、氧化分解、產生氣體、發生燃燒的傾向都會加??;

 

3)電池質量參差不齊,尤其是小廠家的電池安全性能不達標;

 

4)電池管理系統不合格,造成電池的過充放,導致危險的發生。

 

而如果采用了全固態電池技術,以上的12兩點問題就可以直接得到解決,而且所得的電池的最高工作溫度可以從現在的40度提升到更高,這樣就可以使電池的適應工作溫度區間更寬,應用范圍也會更廣。

 

安全性,其實是全固態電池領域發展的最根本驅動力之一。下面說一下固態電池的優勢

 

固態電池有哪些優勢?

 

優勢之一:薄——體積小


實際上,體積能量密度對于電池來說是一個很重要的參數,如果就應用領域來說,要求從高到低是消費電子產品》家用電動汽車》電動公交車。

 

如果通俗地講,就是體積能量密度高了,因此相同質量的電池才能做的體積更小。

 

電子產品中的可用空間往往很有限,很多產品(例手機、平板電腦)有近1/3左右的體積和質量已經被電池占據,而且在廣大生產廠商和消費者希望對電池進一步提高容量(增加續航)和壓縮體積(便攜美觀和便于設計)的要求下,高壓實、體積能量密度最高的鈷酸鋰(LCO)電池依然是當仁不讓的主流產品。

 

傳統鋰離子電池中,需要使用隔膜和電解液,它們加起來占據了電池中近40%的體積和25%的質量。

 

而如果把它們用固態電解質取代(主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系),正負極之間的距離(傳統上由隔膜電解液填充,現在由固態電解質填充)可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米,這樣電池的厚度就能大大地降低 --因此全固態電池技術是電池小型化,薄膜化的必經之路。

 

不僅如此,很多經過物理/化學氣相沉積(PVD/CVD)制備的全固態電池,其整體厚度可能只有幾十個微米,因此就可以制成非常小的電源器件,整合到MEMS(微機電系統)領域中。

 

能夠制成體積非常小的電池也是全固態電池技術的一大特色,這可以方便電池適應各種新型小尺寸智能電子設備的應用,而在這一點上傳統的鋰離子電池的技術是很難達到的。

 

目前許多納米材料實用的一大關鍵障礙就在于比表面積大,體積密度過低,導致如果基于這些材料制成產品,往往相同質量下占據體積過大,即體積能量密度偏低,完全無法滿足一般工業品的要求。

 

所以現在的納米(電池)材料科研中往往選擇了不報道這方面的參數,原因不難理解。

 

優勢之二:柔性化的前景

 

全固態電池可以經過進一步的優化,變成柔性電池,從而帶來更多的功能和體驗。

 

實際上,即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米級以下后經常是可以彎曲的,材料會變得有柔性。

 

相應的,全固態電池在輕薄化后柔性程度也會有明顯的提高,通過使用適當的封裝材料(不能是鋼性的外殼),制成的電池可以經受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。

 

實際上,以各種可穿戴設備為代表的柔性電子器件是下一代電子產品發展的重要方向,而這就要求該產品中的元件同樣需要具有柔性,因此柔性全固態電池是科研與工業界中,非常有前景的明日之星。

 

不僅如此,功能化的全固態電池潛力遠不只以上的柔性電池,經過電池材料結構優化可以制成透明電池,或者是拉伸幅度可達300%的可拉伸電池,或是可以和光伏器件集成化的發電-存儲一體化器件等等--全固態電池所意味的功能上的創新應用前景還有很多,在這方面科研人員與工程師們的想像力會給我們帶來越來越多的驚喜。

 

優勢之三:更安全

  

鋰枝晶生成,產生內短路,是電池失效的重要原因

 

作為一種能量存儲器件,實際上所有電池在熱力學實質上都不可能是絕對安全的。

 

但是電池實際應用中的決定其真正安全性的因素是多方面的,影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質,以及電子產品中的電池管理系統等。

 

目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關心的重點,在這里用“不夠理想”來評價現在電池的安全性,應該是一個比較合適的評價。

 

優勢之四:輕——能量密度高

  

傳統電池與全固態電池電解質/液的對比

 

使用了全固態電解質后,鋰離子電池的適用材料體系也會發生改變,其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極,而是直接使用金屬鋰來做負極,這樣可以明顯減輕負極材料的用量,使得整個電池的能量密度有明顯提高。

 

此外,許多新型高性能電極材料,可能之前與現有的電解液體系的兼容性并不好,但是在使用全固態電解質后該問題可以得到一定的緩解。

 

綜合考慮到以上兩大因素,全固態電池相比于一般鋰離子電池,能量密度可以有一個較大幅度的提升:現在許多實驗室中,都已經可以小規模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池了(一般鋰離子電池是100-220Wh/kg)。

 

從能量密度的數據上看,或許全固態電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。

 

諸多挑戰

 

固態電池發展目前面臨著諸多挑戰,由于固態電池的電解質材料均為固體,導電過程是點接觸,因此電池制造過程中需解決基于界面阻抗的問題。

 

此外,因所有電池在充電和放電過程中均會產生體積膨脹和收縮,液態電池的忍耐度較大,但固態電池有可能會出現裂開的情況,就現階段技術水平而言,固態電池的循環設備還有較大的提升空間。

 

問題之一:成本依然偏高,制備工藝復雜,技術不夠成熟

 

目前的全固態鋰電池的電解質主要有有機和無機兩大體系,成本總體偏高,尤其是無機體系的電池很多采用CVD/PVD等復雜的工藝制備,生產(沉積薄膜)速度慢,成本昂貴,單體電池容量很小,往往只適合做小型電子器件用的電池。

 

不僅如此,全固態電池現在的制備技術成熟度總體一般,能形成規模產能的企業非常有限,技術規?;瘮U產需要克服的困難還有很多,仍處于推廣發展期。

 

問題之二:快充不現實

 

目前全固態電池的倍率性能整體偏低,內阻較大,高倍率放電時壓降較大,如果想指望該類技術能在近期解決電池快充的問題,基本上是不可能的。

 

目前市面上有些使用全固態電池的產品,實際上都不是在室溫下工作的,最典型的例子就是法國已經在運行的3000余輛使用全固態電池的出租車(電芯能量密度可以達到260Wh/kg,優于現在商用的普通鋰離子電池)。

 

問題之三:暫時無法大規模商業化

 

作為電動汽車電池的資深專家,全電池咨詢公司總裁梅納海姆·安德曼指出:“當前,電動汽車采用的固態電池仍處于研究階段,目前還無法確定商業化的時間表,由于固態電池不太可能選用鋰離子電池所用的各種化學材料,預計其售價將非常高,而且量產難度也很大?!?/span>

 

此外,雖然豐田方面表示,固態電池的充電時間比鋰電池縮短一倍,但與此同時,固態電池的性能極易受溫度影響。也就是說,固態電池很可能在溫度稍高的情況下才能實現真正的快充效果。

 

因此,不少業內人士也對豐田的計劃持懷疑態度,認為豐田量產固態電池組難度不小。

 

上述這些說法似乎驗證了馬斯克所言非虛,“固態電池技術并未上路,還處在研發階段”。不過,雖然目前還無法確定豐田致力于開發的固態電池將走向何方,但如果豐田能真正推動其發展并應用,電動汽車電池行業將迎來顛覆性的變革,就如同當年豐田推出普銳斯,一舉占據了混合動力汽車市場的半壁江山一樣。

 

企業的固態電池布局

 

現在已經有許多start-ups以及傳統工業巨頭公司投入到了全固態電池行業中。

 

豐田、松下、三星、三菱以及國內的寧德時代等電池行業領軍企業都已經積極布局固態電池的儲備研發。

 

相對而言,技術成熟度較高、技術沉淀較深的當屬法國的Bolloré、美國Sakti3和日本豐田。這三家也分別代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固態電解質的典型技術開發方向。

 

在歐洲比較出名的Bolloré,采用的是聚合物電解質體系,三星采用的則是硫化物電解質體系。英國富豪詹姆斯-戴森(James Dyson) 2015 年公司收購了固態電池企業 Sakti3 ,20168月,戴森表示,將出資 14 億美元興建一座電池工廠。德國汽車零部件巨頭博世(BOSCH),2015年收購美國電池公司“Seeo”。博世和Seeo然后與日本著名的GS YUASA(湯淺)電池公司和三菱重工共同建立了新工廠,主攻固態陽極鋰離子電池。

 

20161217日,寧德時代研發經理郭永勝介紹了公司固態鋰金屬電池的研發進程,他表示,寧德時代在做固態電池之前對全球做固態電池的企業做了調研,目前該項目還處于早期階段。

 

寧德時代在研發過程中,也在關注固態電池的制造問題,固態電池整個制造工藝跟傳統的鋰離子的制造工藝不同,需要新的設備,新的工藝,所以寧德時代也同時進行工藝的研發。

 

總體來說,全固態電池是電池科研與工業界公認的下一步電池發展的主流方向之一已經沒有懸念,但是具體到固態電解質的電導率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面,全固態電池仍然有一段路要走。

 


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