固态电池成为下一代动力电池开发方向?

  • 原创
  • 2019-07-11 09:34
  • 来源:电车资源 赖淑娜

摘要:我国新能源汽车正处于由市场导入期向产业成长期过渡的关键阶段,频发的新能源汽车安全事故让行业面临着前所未有的挑战,究其原因还是要追溯到动力电池上,高能量密度与安全性的矛盾一直是业内所关注的焦点。

我国新能源汽车正处于由市场导入期向产业成长期过渡的关键阶段,频发的新能源汽车安全事故让行业面临着前所未有的挑战,究其原因还是要追溯到动力电池上,高能量密度与安全性的矛盾一直是业内所关注的焦点。

目前市场上电动汽车的动力锂电池都是液态锂电池,此类电池使用的是液体电解质,在过热或者充电过量的情况下,液体电解质分解产生气体导致电池膨胀而发生爆炸等安全问题。

而锂离子电池被业内认为其能量密度已经到达极限,业内专家和电池企业等也一直在探索下一代动力电池技术,开始将目光放到能量密度更高、更安全的固态电池上。

兼顾高能量密度与高安全性 成未来发展重要方向

固态电池是为了解决当前锂电池技术路线中的高能量密度和高安全性不兼容而延伸出来的一个路线。现今普遍使用的锂离子电池是由正极、隔膜、负极,再灌上电解液制造而成,而固态锂电池则采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质,取代以往锂电池的电解液和隔膜。

从技术层面看,在能量密度方面,传统锂离子电池的能量密度已达到天花板,如磷酸铁锂体系理论能量密度约为170Wh/kg,三元锂电池理论能量密度是300-350Wh/kg。

固态电池成为下一代动力电池开发方向?

在安全和体积质量方面,传统液态锂离子电池中的隔膜和电解液几乎占据了电池近40%的体积和25%的质量,且液态电解质在高温下会氧化分解、产生气体、发生燃烧等安全问题。

而固态电池,使用固体电极和固体电解质可以有效地减少体积和质量,同时提升锂电池的能量密度,从理论上讲更具可行性。固态电池能够很好地解决当前三元锂电池高安全和高能量密度这一矛盾,被多数业内人士认为是动力电池技术发展的重要方向。

国内外企业争相布局

电解质是影响锂离子安全的主要因素之一,目前正在向固态化方向发展。在近日举办的2019世界新能源汽车大会上,北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋表示,在现阶段电解质还做不到全固态。动力电池正迈向固态化时代,但仍需一步一步来,从准固态向固态发展。

固态电池的潜在优势,让中国、欧美、日韩等国家地区的动力电池、汽车等产业链上众多企业积极布局和研发固态电池。

国内方面,2019年6月24日,万向一二三和材料公司Ionic Materials对外宣布,全固态电池研发取得里程碑式进展。万向一二三和Ionic Materials公司开发了行业第一种创新性方法来制造全固态电池,通过将Ionic Materials公司的导电离子聚合物与A123的新一代三元/石墨锂离子化学相结合,共同开发出一款具有高能量密度、高安全且不使用易燃液体电解质的电池。

固态电池成为下一代动力电池开发方向?

2019年3月4日,赣锋锂业发布消息称,公司固态电池产线建设项目装修及机电安装工程开工仪式在赣锋电池举行。2017年,赣锋锂业与中科院宁波材料所合作共建“固体电解质材料工程中心”,聘请许晓雄博士为公司首席科学家,并引进以他为核心的研发团队负责固态电池的研发。2018年固态电池的研发取得新的突破,并在8月份正式启动2亿Wh固态锂电池中试生产线建设项目。

此外,宁德时代、比亚迪、国轩高科、比克电池、中天科技以及当升科技等均有固态锂电池领域的布局。其中,宁德时代在聚合物和硫化物基固态电池方向分别开展了相关的研发工作并取得了初步进展;国轩高科已在日本研究院开展相应固态电池技术研发。

国外方面,近日,据外媒报道,韩国研究人员研发出一种技术,使用Garnett LLZO(锂、镧、锆和氧)材料,制成了高强度的复合电解质片,制成用于电动汽车的全固态二次电池。此类电池结构可以大大减小电池组的体积,同时消除电池爆炸或起火的风险,即使在空气中使用剪刀切割该电池,该电池也不会起火或爆炸。

在固态电池领域,丰田表示将在2030年之前投资在相关电池研发的资金可能超过130亿美元。由日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)牵头投资100亿日元,丰田、本田、日产、松下等23家日本汽车、电池和材料企业,以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究,计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术。

2018年,大众向电池技术公司QuantumScape投资1亿美元,并计划与之组建合资公司,让生产固态电池的技术达到产业标准,并计划在2025年建成一条固态电池生产线。另外,宝马也提出与美国固态电池商Solid Power达成战略合作,提出加快固态电池的研发和产出。

技术和产业壁垒亟待突破

尽管固态锂电池技术已经得到突破,能量密度超过300Wh/kg,但都是实验室小规模批量试制产品,距离产业化还有一定的距离。真正实现小规模量产预计在2020年以后,大规模应用则需要更长的时间,在现阶段还需攻克难点,突破技术和产业壁垒。

固态电池成为下一代动力电池开发方向?

固态电解质与锂金属电极存在界面接触不均匀的问题,导致其难以在实际电流密度下被应用。因此如何使固态电解质获得如液态电解质般的良好界面接触,成为发展锂金属电池的关键课题。

在产业化层面,规模化生产还需生产设备、生产工艺与生产线环境多方面的因素。如固态电池制备中的叠片、涂布、封装工艺需要定制化的高精度设备,并且生产线环境也需要保持更高级别的干燥间。只有当规模化生产实现产量与产能的提升后,固态锂电池的成本才得以下降。

小结:固态锂电池的生产制备成熟度还亟待加强,规模化、自动化的生产线还需要进一步研发,目前仍处于行业积累期。未来随着研发技术和工业生产方面的发展,固态电池的性能与生产将逐步优化,在动力电池市场迎来机遇。

(文/电车资源 赖淑娜)

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