动力电池技术进展与发展前景

2019-04-03      867 次浏览

全固态锂电池的概念比锂离子电池出现的更早,锂离子电池只出现了25年左右,是日本人发明的,真正到车上用就10多年,很年轻但是进步很快。


全固态锂电池,这几个词每一个字都不能少、不能变。“全固态”跟“固态”是不一样的,“锂电池”和“锂离子电池”不是一个概念。


所谓“全固态锂电池”是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态、不含任何液态组份的锂电池,所以全称是“全固态电解质锂电池”。


所谓“全固态锂电池”是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态


全固态锂电池又分成全固态锂一次电池和全固态锂二次电池,一次电池其实已经有用的。全固态锂二次电池又分成全固态锂离子电池和锂金属电池,这两个概念又要区别,所谓全固态金属锂电池,是其负极用的是锂金属,现在的负极用的是碳或者硅碳或者钛酸锂。


全固态锂电池的概念比锂离子电池出现的更早,锂离子电池只出现了25年左右,是日本人发明的,真正到车上用就10多年,很年轻但是进步很快。


早期指的全固态锂电池,都是指金属锂为负极的全固态金属锂电池,一说全固态往往是以锂金属为负极的,这就是以前的概念。


全固态锂电池有几个潜在的技术优势,一是安全性高,因为它没有有机溶剂作为电解质引发电解液燃烧问题。


二是能量密度高,需要说明的是,固态电解质的密度和使用量高于液态电解质,在正负极材料相同的时候,它的优势是不明显的,当然如果有了固态电解质之后就没有电解液泄漏问题,所以它可以一片片全部叠起来,不像我们非要搞一个软包包起来,这样体积比能量就会高。


第三,正极材料选择的范围宽,因为负极是锂金属,正极不含锂都可以。还有,电解质的电压窗口会更宽,正极材料选择范围也就大,比能量也可以提高;第四,系统比能量高,由于电解质无流动性,可以方便地通过内串联组成高电压单体,利于电池系统成组效率和能量密度的提高。


但是也存在一些问题。第一个问题是固态电解质材料的离子电导率偏低。现在有三种固态电解质,一种是聚合物,一种是氧化物,一种是硫化物。聚合物电解质这种,其实这个电池已经有了,现在在法国有些车上用,它的问题就是要加热,电池要加热到60度,离子电导率才上来,电池才能正常工作。


目前氧化物电解质一般比液态的还是要低很多。只有硫化物的固态电解质现在跟液态的差不多,比如丰田就是用的这种硫化物的固态电解质,所以固态电解质是有突破的,主要的突破是在硫化物的固态电解质。


第二个问题就是固/固界面接触性和稳定性差。液体跟固体结合是很容易的,渗透进去。但是固体和固体接触性和稳定性就不是太好了,这是它很大的一个问题。硫化物电解质虽然锂离子导电率已经提高了,但是仍然有界面接触性和稳定性问题。


第三个问题是金属锂的可充性问题。在固态电解质中,锂表面同样存在粉化和枝晶生长问题。其循环性,甚至安全性等还需要研究。


当然还有一个问题,就是制造成本偏高。


基于上述问题,特别是固态界面接触性/稳定性和金属锂的可充性问题,真正意义上的全固态金属锂电池技术,现在仍然还是不成熟的,还存在技术不确定性。目前展现出的或者有突破的,有性能优势和产业化前景的,主要是固态锂离子电池。


固态锂离子电池跟全固态锂电池有什么区别?固态电池不一定是全都是固态电解质,还有一点液态,是液态跟固态混合的,看混合的比例是多大。


真正的固态锂离子电池,其电解质是固态,但在电芯中有少量的液态电解质;所谓半固态,就是固态电解质、液态电解质各占一半,或者说电芯的一半是固态的、一半是液态的,所以还有准固态的,就是主要为固态、少量是液态。


关于固态锂电池国内外动态。现在固态锂电池持续升温,美国、欧洲、日本、韩国、中国都在投入。各个国家心态不太一样。例如美国,以小公司、创业型公司为主。美国有两家公司还是不错的,都是初创公司,一个是S-akit3,续驶里程能到500公里,现在还处于初级阶段。


还有一个Solid—State,还有一家公司被宝马等几家大公司投资了。因此美国主要是小公司、创业公司干,立足于颠覆性技术。日本基本上是固态锂离子电池,最著名的丰田,将在2022年实现商品化。丰田做的不是全固态锂金属电池,而是固态锂离子电池。


它的负极是石墨类,硫化物电解质,高电压正极,单体电池容量15安时,电压是十几伏的那种,2022年实现商品化是靠谱的。


所以在日本,并没有颠覆,还是锂离子电池,正负极还可以用以前的。韩国也是石墨类负极,并不是金属锂负极,跟日本差不多。中、日、韩的情况是类似的,因为我们已经有了很大的锂离子电池的产业链,不希望推倒重来。


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