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全球大熱的全固態鋰電池技術詳解

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年09月19日  

隨著電動汽車在我國突飛猛進的發展,動力電池作為其核心零部件一直備受關注。關鍵零部件的提升,直接影響著我國電動汽車發展的提速。1月7日,中國電動汽車百人會組織了“把握全球變革趨勢實現高質量發展”的熱點問題交流會,歐陽明高教授以專業眼光對全固態鋰電池技術進行了詳盡的分析。



1月7日,中國電動汽車百人會組織了“把握全球變革趨勢實現高質量發展”的熱點問題交流會


五大優勢加身,全固態鋰電池技術值得關注


所謂“全固態鋰電池”是一種在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態,不含任何液態組份的鋰電池,全稱是“全固態電解質鋰電池”。因此,全固態鋰電池,已經是一個字不能少、不能變的最簡稱呼。為了助于理解,歐陽教授舉例表示,這就像“全固態”跟“固態”是不一樣的,“鋰電池”和“鋰離子電池”不是一個概念。這個全固態鋰電池又分成全固態鋰一次電池和全固態鋰二次電池,一次電池已經有所應用。而全固態鋰二次電池又分成全固態鋰離子電池和鋰金屬電池,這又是兩個需要區分的概念。所謂全固態金屬鋰電池,就是負極用的是鋰金屬,而我們現在負極大用的是碳或者硅碳或者鈦酸鋰。


歐陽教授表示,全固態鋰電池的概念比鋰離子電池出現的更早。眾所周知,鋰離子電池只出現了25年左右,是日本人發明的,到現在25年,真正到車上用就10多年,所以很年輕但是進步很快。早期所指的全固態鋰電池,都是指金屬鋰為負極的全固態金屬鋰電池,所以一說全固態往往說到這個,就是說全固態的是以鋰金屬為負極的,這就是以前的概念。


針對全固態鋰電池,歐陽教授總結了以下幾個潛在的技術優勢。首先就是安全性高,因為全固態鋰電池沒有有機溶劑作為電解質,因此不會引發電解液燃燒問題;第其次就是能量密度高。當然固態電解質的密度和使用量高于液態電解質,在正負極材料相同的時候,他的優勢是不明顯的。但有了固態電解質之后就沒有電解液泄漏問題,所以它可以一片片全部疊起來,不像液態電解質需要軟包包起來,這樣體積比能量就會高。第三,全固態鋰電池正極材料選擇的范圍寬,因為負極是鋰金屬,正極不含鋰都可以。最后,全固態鋰電池電解質的電壓窗口會更寬些,正極材料選擇范圍也就大,比能量也可以提高;此外,全固態鋰電池系統比能量高。由于電解質無流動性,可以方便地通過內串聯組成高電壓單體,利于電池系統成組效率和能量密度的提高。


四大問題待解決,固態鋰離子電池發展可能性大




雖然擁有五大優勢,全固態鋰電池也擁有四大問題。第一個問題就是固態電解質材料的離子電導率偏低。歐陽教授表示,現在有三種固態電解質,一種是聚合物,一種是氧化物,一種是硫化物,聚合物電解質。聚合物電池現在在法國有些車上用,它的問題就是要加熱,電池要加熱到60度,離子電導率才上來,電池才能正常工作。目前氧化物電解質一般比液態的還是要低很多。只有硫化物的固態電解質現在跟液態的差不多,比如豐田就是用的這種硫化物的固態電解質,所以固態電解質是有突破的,主要的突破是在硫化物的固態電解質。


第二個問題就是固/固界面接觸性和穩定性差。液體跟固體結合是很容易的,滲透進去。但是固體和固體接觸性和穩定性就不是太好了,這是它很大的一個問題。硫化物電解質雖然鋰離子導電率已經提高了,但是仍然有界面接觸性和穩定性問題。第三個問題是金屬鋰的可充性問題。在固態電解質中,鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長問題。其循環性,甚至安全性等還需要研究。此外,制造成本偏高也是其發展的一大問題。


基于上述問題,特別是固態界面接觸性/穩定性和金屬鋰的可充性問題,真正意義上的全固態金屬鋰電池技術,現在仍然還是不成熟的,還存在技術不確定性。目前展現出或者有突破的,有性能優勢和產業化前景的,主要是固態鋰離子電池。


美求突破,中日韓較保守,各國固態鋰電池區別化發展


那么,固態鋰離子電池跟全固態鋰電池有什么區別呢?歐陽教授表示,固態電池不一定是全都是固態電解質,還有一點液態,是液態跟固態混合的,看混合的比是多大。而真正的固態鋰離子電池,其電解質是固態,但在電芯中有少量的液態電解質;所謂半固態,就是固態電解質、液態電解質各占一半,或者說電芯的一半是固態的、一半是液態的,所以還有準固態的,就是主要為固態、少量是液態。


歐陽教授對于固態鋰電池國內外的發展動態進行了詳盡的分析,他表示,現在固態鋰電池持續升溫,美國、歐洲、日本、韓國、中國都在投入。


雖然都在發展同一個技術,但各個國家的心態卻不太一樣。例如美國,以小公司,創業型公司為主。歐陽教授指出,美國有兩家公司還是不錯的,都是初創公司,一個是S-akit3,續駛里程能到500公里,現在還處于初級階段。還有一個Solid—State,還有一家公司被寶馬等幾家大公司投資了。因此美國主要是小公司、創業公司干,立足于顛覆性技術。


再來看中日韓為代表的亞洲國家,歐陽教授評價到:“日本基本上都是固態鋰離子電池,最著名的當屬豐田,將在2022年實現其商品化。但其實豐田做的不是全固態鋰金屬電池,而是固態鋰離子電池,它的負極是石墨類,硫化物電解質,高電壓正極,單體電池容量15安時,電壓是十幾V的那種。2022年實現商品化,這個是靠譜的”。所以在日本,并沒有顛覆,還是鋰離子電池,正負極還可以用以前的。韓國在電池方面的發展與日本也是大同小異,也是石墨類負極,并不是金屬鋰負極。歐陽教授表示:“中、日、韓的發展情況是類似的,因為我們已經有了很大的鋰離子電池的產業鏈,不希望推倒重來”。


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