固态电池产业化还有多远?

来源:高工锂电技术与应用 作者: 时间:2017-03-24 09:59

固态 电池 产业化

  安全始终是锂电池头顶的一把利剑。包括锂电产业链上的各大企业、研究院校等业界各方都一直在不遗余力地解决这一“老大难”问题。其中,研究生产全固态锂电池就是业界提出的一种新思路和新方法。

  安全始终是锂电池头顶的一把利剑。包括锂电产业链上的各大企业、研究院校等业界各方都一直在不遗余力地解决这一“老大难”问题。其中,研究生产全固态锂电池就是业界提出的一种新思路和新方法。

  中国工程院院士陈立泉说:“2014年我就提出争取5年实现(全固态锂电池)产业化,全固态电池是我们实现领跑的难得机遇,我国40年前就开始研究,我们有基础。”

  高工锂电网了解到,目前全固态锂电池还处于研发阶段,国内已经有部分企业在进行技术攻关。全固态锂电池研发进程到达什么阶段?离产业化进程有多远?本文将帮助读者更清晰地认识全固态锂电池以及其产业化进程。

  技术原理

  全固态锂电池,即电池各单元,包括正负极、电解质全部采用固态材料的锂二次电池,是从20世纪50年代开始发展起来的,它的工作原理与液态电解质锂离子电池的原理相通。

  目前,按照电解质区分,全固态锂电池主要包括两大类:一类是有机聚合物电解质组成的全固态锂电池,称为聚合物全固态锂电池;二是以无机固体电解质组成的锂离子电池,称作无机全固态锂电池,主要有氧化物类和硫化物类。

  在构造上,全固态锂电池比传统锂离子电池要简单,固体电解质除了传导锂离子,也充当隔膜的角色。因此,在全固态锂电池中,电解液、电解质盐、隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯等都不需要使用,大大简化电池的构建步骤。

  聚合物全固态锂电池的优点是安全性高,不仅能够制备成各种形状,而且通过卷对卷的方式制备相对容易;无机全固态锂电池使用的无机固体电解质材料,具有机械强度高,不含易燃、易挥发成分,不存在漏液,抗温度性能好等特点。

  同时,无机材料容易实现大规模制备以满足大尺寸电池的需要,还可以制备成薄膜,易于将锂电池小型化,由无机材料组装的薄膜无机固体电解质锂电池具有超长的储存寿命和循环性能。

  阻碍产业化难题在哪?

  江苏清陶能源科技有限公司(下称“清陶能源”)首席技术官李峥博士表示,目前困扰全固态电池实现产业化主要有两个问题:一是固态电解质在室温条件下的离子电导率不高;二是固态电解质与正负极之间界面阻抗比较大。

  目前使用的聚合物、氧化物、硫化物固态电解质都存在这些问题。具体来说,聚合物耐温性能不够,界面问题稍微好一点,但电化学窗口较窄、稳定性较差、离子电导性偏低;氧化物界面抗阻比较大,离子电导性也偏低;硫化物离子电导性高一点,但是界面离子传输性能不佳,且材料本身稳定性也不好。

  此前曾有媒体报道,法国Bollore 公司已经在英国伦敦投放了3500辆城市租赁车。据了解这批租赁车均为使用全固态锂电池的电动汽车,该款电池化学体系为Li/PEO/LFP,电池包重量达到300KG,能量密度在100wh/kg,并且1300次循环后,出水容量达到80%。

  业内技术专家认为,由于固态电解质适用温度范围窄,Bollore 公司的该款电动车需要一个加热元器件,将电池加热到80摄氏度才能启动,温度升高后,导电性变好。

  与平常直接发动引擎车子就能出发不同的是,升高电池温度这一过程不仅麻烦,而且会消耗能量,这会导致电池包整体Pack的有效能量密度显著下降。同时由于聚合物固态电池的功率性能较差,所以在实际使用时,需要和大功率的超级电容器配合使用。

  更明显的缺陷是基于PEO的聚合物固态电解质电化学稳定窗口较窄,一般在4V以下,对应的正极材料选择只能是LFP,它的总体能量密度很难达到300Wh/kg。

  企业积极布局

  尽管全固态电池使用的固态电解质还面临诸多问题,但这并不影响业界产业化全固态电池的信心。而针对其中的难关,不少企业纷纷开启技术研发模式。

  硫化物固体电解质是宁德时代的重要研发方向。对硫系全固态电池来说,正极界面和负极界面都存在界面反应的问题。对于正极界面,可以采用正极包覆修饰方法解决,而负极界面可以在锂金属表面形成一层稳定的缓冲层。

  实际应用中,硫化物还存在离子导电性的接触问题,接触空气和水的稳定性较差,遇水后不仅会放出剧毒的硫化氢气体,而且气味很臭,如果在使用车的过程中出现这个问题,人会承受不了。

  宁德时代新能源科技有限公司梁成都博士表示,宁德时代采用热压方式改善界面接触来提高电池体系的整体离子导电性,并且对硫化物材料进行了改进研究,提高了它的稳定性,朝产业化更进一步。

  但制造方面是一个很大的挑战,生产流程、工艺方式和传统锂离子电池的生产方式完全不一样,宁德时代已经进行一系列的材料研究和工艺开发,在固态电池的产业化方向进行了积极布局。

  “条条大路通罗马”,在研发全固态锂电池的电解质选择路径上,每家企业都会有自己的选择。李峥表示,清陶能源的技术路线是将聚合物和氧化物做成的复合材料,虽然能够部分避免固体电解质的共性问题,但仍需要改进,相对应的正负极也需要改变。

  目前业界有一个共识,认为现在谈全固态锂电池的产业化还为时尚早,因为与其配套的材料、设备、工艺还不成熟,甚至连生产的设备都没有。而据李峥透露,清陶能源成立之初的目的就是生产全固态锂电池,配套的设备公司核名已经完成,正在工商注册中。

  高工产研锂电研究所(GGII)分析师认为,全固态电池的能量密度理论值很高,但目前工程能力不够,整包在100-200wh/kg,还有很大提升空间。要实现全固态电池的大规模产业化,技术突破很关键,而且材料、工艺、设备都需要相应提升。



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