固態電池成為下一代動力電池開發方向?

  • 原創
  • 2019-07-11 09:34
  • 來源:電車資源 賴淑娜

摘要:我國新能源汽車正處于由市場導入期向產業成長期過渡的關鍵階段,頻發的新能源汽車安全事故讓行業面臨著前所未有的挑戰,究其原因還是要追溯到動力電池上,高能量密度與安全性的矛盾一直是業內所關注的焦點。

我國新能源汽車正處于由市場導入期向產業成長期過渡的關鍵階段,頻發的新能源汽車安全事故讓行業面臨著前所未有的挑戰,究其原因還是要追溯到動力電池上,高能量密度與安全性的矛盾一直是業內所關注的焦點。

目前市場上電動汽車的動力鋰電池都是液態鋰電池,此類電池使用的是液體電解質,在過熱或者充電過量的情況下,液體電解質分解產生氣體導致電池膨脹而發生爆炸等安全問題。

而鋰離子電池被業內認為其能量密度已經到達極限,業內專家和電池企業等也一直在探索下一代動力電池技術,開始將目光放到能量密度更高、更安全的固態電池上。

兼顧高能量密度與高安全性 成未來發展重要方向

固態電池是為了解決當前鋰電池技術路線中的高能量密度和高安全性不兼容而延伸出來的一個路線。現今普遍使用的鋰離子電池是由正極、隔膜、負極,再灌上電解液制造而成,而固態鋰電池則采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導物質,取代以往鋰電池的電解液和隔膜。

從技術層面看,在能量密度方面,傳統鋰離子電池的能量密度已達到天花板,如磷酸鐵鋰體系理論能量密度約為170Wh/kg,三元鋰電池理論能量密度是300-350Wh/kg。

固態電池成為下一代動力電池開發方向?

在安全和體積質量方面,傳統液態鋰離子電池中的隔膜和電解液幾乎占據了電池近40%的體積和25%的質量,且液態電解質在高溫下會氧化分解、產生氣體、發生燃燒等安全問題。

而固態電池,使用固體電極和固體電解質可以有效地減少體積和質量,同時提升鋰電池的能量密度,從理論上講更具可行性。固態電池能夠很好地解決當前三元鋰電池高安全和高能量密度這一矛盾,被多數業內人士認為是動力電池技術發展的重要方向。

國內外企業爭相布局

電解質是影響鋰離子安全的主要因素之一,目前正在向固態化方向發展。在近日舉辦的2019世界新能源汽車大會上,北京理工大學教授、中國工程院院士吳鋒表示,在現階段電解質還做不到全固態。動力電池正邁向固態化時代,但仍需一步一步來,從準固態向固態發展。

固態電池的潛在優勢,讓中國、歐美、日韓等國家地區的動力電池、汽車等產業鏈上眾多企業積極布局和研發固態電池。

國內方面,2019年6月24日,萬向一二三和材料公司Ionic Materials對外宣布,全固態電池研發取得里程碑式進展。萬向一二三和Ionic Materials公司開發了行業第一種創新性方法來制造全固態電池,通過將Ionic Materials公司的導電離子聚合物與A123的新一代三元/石墨鋰離子化學相結合,共同開發出一款具有高能量密度、高安全且不使用易燃液體電解質的電池。

固態電池成為下一代動力電池開發方向?

2019年3月4日,贛鋒鋰業發布消息稱,公司固態電池產線建設項目裝修及機電安裝工程開工儀式在贛鋒電池舉行。2017年,贛鋒鋰業與中科院寧波材料所合作共建“固體電解質材料工程中心”,聘請許曉雄博士為公司首席科學家,并引進以他為核心的研發團隊負責固態電池的研發。2018年固態電池的研發取得新的突破,并在8月份正式啟動2億Wh固態鋰電池中試生產線建設項目。

此外,寧德時代、比亞迪、國軒高科、比克電池、中天科技以及當升科技等均有固態鋰電池領域的布局。其中,寧德時代在聚合物和硫化物基固態電池方向分別開展了相關的研發工作并取得了初步進展;國軒高科已在日本研究院開展相應固態電池技術研發。

國外方面,近日,據外媒報道,韓國研究人員研發出一種技術,使用Garnett LLZO(鋰、鑭、鋯和氧)材料,制成了高強度的復合電解質片,制成用于電動汽車的全固態二次電池。此類電池結構可以大大減小電池組的體積,同時消除電池爆炸或起火的風險,即使在空氣中使用剪刀切割該電池,該電池也不會起火或爆炸。

在固態電池領域,豐田表示將在2030年之前投資在相關電池研發的資金可能超過130億美元。由日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)牽頭投資100億日元,豐田、本田、日產、松下等23家日本汽車、電池和材料企業,以及京都大學、日本理化學研究所等15家學術機構將共同參與研究,計劃到2022年全面掌握全固態電池相關技術。

2018年,大眾向電池技術公司QuantumScape投資1億美元,并計劃與之組建合資公司,讓生產固態電池的技術達到產業標準,并計劃在2025年建成一條固態電池生產線。另外,寶馬也提出與美國固態電池商Solid Power達成戰略合作,提出加快固態電池的研發和產出。

技術和產業壁壘亟待突破

盡管固態鋰電池技術已經得到突破,能量密度超過300Wh/kg,但都是實驗室小規模批量試制產品,距離產業化還有一定的距離。真正實現小規模量產預計在2020年以后,大規模應用則需要更長的時間,在現階段還需攻克難點,突破技術和產業壁壘。

固態電池成為下一代動力電池開發方向?

固態電解質與鋰金屬電極存在界面接觸不均勻的問題,導致其難以在實際電流密度下被應用。因此如何使固態電解質獲得如液態電解質般的良好界面接觸,成為發展鋰金屬電池的關鍵課題。

在產業化層面,規模化生產還需生產設備、生產工藝與生產線環境多方面的因素。如固態電池制備中的疊片、涂布、封裝工藝需要定制化的高精度設備,并且生產線環境也需要保持更高級別的干燥間。只有當規模化生產實現產量與產能的提升后,固態鋰電池的成本才得以下降。

小結:固態鋰電池的生產制備成熟度還亟待加強,規模化、自動化的生產線還需要進一步研發,目前仍處于行業積累期。未來隨著研發技術和工業生產方面的發展,固態電池的性能與生產將逐步優化,在動力電池市場迎來機遇。

(文/電車資源 賴淑娜)

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