你了解什么是固態(tài)電池嗎，固態(tài)電池技術(shù)取得突破
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-27 10:04
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人們對電池的要求并不高：在需要的時間內(nèi)盡可能長時間地提供能量，充電速度快，不會突然起火，但是2016年的一系列手機(jī)電池起火事件動搖了消費(fèi)者對鋰離子電池的信心。自上世紀(jì)80年代推出以來，鋰離子電池曾幫助引領(lǐng)現(xiàn)代便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展，但是一直受到安全問題的困擾。隨著人們對電動汽車興趣越來越大，研究人員和業(yè)內(nèi)人士都在尋找改進(jìn)充電電池的技術(shù)，此類技術(shù)需要能夠安全可靠地為汽車、自動駕駛汽車、機(jī)器人和其他下一代設(shè)備提供動力。
據(jù)外媒報道，美國康奈爾大學(xué)（Cornell University）的一項新研究改進(jìn)了固態(tài)電池的設(shè)計。固態(tài)電池本質(zhì)上比現(xiàn)有的鋰離子電池更安全，能量密度也更高，鋰離子電池依賴易燃液體電解質(zhì)將存儲在分子鍵中的化學(xué)能量快速轉(zhuǎn)移至電能中?？的螤柎髮W(xué)研究人員將液體電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)電池內(nèi)部的固體聚合物，利用了液體和固體的特性以克服當(dāng)前影響電池設(shè)計的關(guān)鍵限制。
該研究的博士后研究員兼首席作者Qing Zhao表示：“可以想象一下一杯裝滿冰塊的玻璃杯，有些冰塊會接觸到玻璃杯，但是也有縫隙。但是如果將玻璃杯裝滿水并且冰凍起來，界面就會被完全覆蓋，玻璃杯內(nèi)的冰塊與水之間就可以建立起牢固的聯(lián)系。在電池中利用同樣的概念就可以促進(jìn)離子在電池電極固體表面向電解質(zhì)高速率轉(zhuǎn)移，而不需要可燃液體。”
該方案的關(guān)鍵在于引入特殊分子，在不損害電池其他功能的情況下，在電化學(xué)電池內(nèi)引發(fā)聚合。如果電解質(zhì)是環(huán)醚，可設(shè)計引發(fā)劑，讓其撕裂環(huán)，從而產(chǎn)生結(jié)合在一起的反應(yīng)性單體鏈，以產(chǎn)生與醚的化學(xué)性質(zhì)基本相同的長鏈狀分子。此類堅固的聚合物在金屬界面處保持了緊密連接，猶如玻璃杯中的冰塊。
固態(tài)電解質(zhì)除了有助于提高電池的安全性外，還有助于讓下一代電池能夠利用鋰和鋁等金屬作為陽極，與當(dāng)今最先進(jìn)電池技術(shù)相比，可實現(xiàn)更大的能量存儲。在此種情況下，固態(tài)電解質(zhì)可以防止金屬形成樹突，從而導(dǎo)致電池短路、過熱和故障。盡管固態(tài)電池優(yōu)勢明顯，但是大規(guī)模量產(chǎn)遭受了阻礙。制造成本高，以前的設(shè)計導(dǎo)致的界面性能差，都造成了重大的技術(shù)障礙，此外，固態(tài)系統(tǒng)還能夠穩(wěn)定電池?zé)嶙兓?，從而免去電池冷卻的必要。
據(jù)研究人員所說，生產(chǎn)新型聚合物電解質(zhì)的現(xiàn)場技術(shù)有望延長高能量密度可充電金屬電池的循環(huán)壽命，提升充電能力。
在年初舉行的2018 CES（拉斯維加斯國際消費(fèi)電子展）上，“固態(tài)電池”突然成為了熱點話題，起因是萬向旗下的Fisker公司在發(fā)布全新電動跑車Emotion時，提到了由于搭載石墨烯固態(tài)電池，這款電動跑車實現(xiàn)644km以上的續(xù)航里程，甚至可以“吊打”特斯拉。
固態(tài)電池為何如此牛氣呢？下邊稍微科普一下：
通常來說，鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜、電解液等部分組成，無論是最初的鎳氫電池、錳酸鋰電池、后來的磷酸鐵鋰電池，還是如今已廣為人知的三元鋰電池（鎳鈷錳和鎳鈷鋁），說的其實都是電池的正極材料，對電芯能力密度影響最大的就是它。
眾所周知，磷酸鐵鋰電池在能量密度方面的提升空間已非常有限，不提升能量密度，就無法提升電動車的續(xù)航里程。于是，動力電池的生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始由磷酸鐵鋰電池全面倒向三元鋰電池的優(yōu)化升級，但從長遠(yuǎn)來看，這些方式都很難讓三元鋰電池的能量密度突破300Wh/kg。那么，這個行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的研發(fā)瓶頸出現(xiàn)后，應(yīng)該如何捅破天花板完成未來目標(biāo)呢？（2020年350Wh/kg，2025年400Wh/kg，2030年500Wh/kg），下面就輪到固態(tài)電池登場了！
使用固態(tài)電解質(zhì)的鋰電池可以擺脫石墨材料的束縛，轉(zhuǎn)而去采用金屬鋰作為負(fù)極，使得整個電池系統(tǒng)的能力密度大大提升。從現(xiàn)在的試驗數(shù)據(jù)看，300-400Wh/kg能量密度的全固態(tài)電池已經(jīng)不在話下，有人預(yù)測未來達(dá)到900Wh/kg也不是沒有可能。更重要的是，固態(tài)電池可以在更高溫（可長期在60-120°C溫度下）、更大電流、更高電壓下工作，較液態(tài)電解質(zhì)鋰電池應(yīng)用范圍更加廣泛。
正因如此，盡管目前全固態(tài)電解質(zhì)的成本非常昂貴，但全球各大相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)都紛紛將固態(tài)電池技術(shù)作為重要研發(fā)方向。
而就在上周末舉行的“2018中國電動汽車百人會論壇”上，新興固態(tài)電池的開發(fā)同樣成為關(guān)注的焦點。
就連工信部部長苗圩也在致辭中強(qiáng)調(diào)，在我國新能源汽車發(fā)展的下一步工作中，要“重點攻克下一代鋰電池和固態(tài)電池等新體系電池的關(guān)鍵核心技術(shù)”。他強(qiáng)調(diào)，“我們2020年單體電池要做到350瓦時每公斤，模組要做到260，這個還是蠻有挑戰(zhàn)的。（我們要）提升正向設(shè)計開發(fā)的能力，不斷提高整車的輕量化和智能化水平，努力使整車性能達(dá)到甚至超過燃油汽車。”
其實，正如中國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長、中國科學(xué)院院士歐陽明高評價的那樣，“2017年是固態(tài)電池最火熱的一年”。
據(jù)歐陽明高介紹，“日本在無機(jī)硫化物固態(tài)電解質(zhì)方面取得重要突破，豐田公司出臺固態(tài)電池量產(chǎn)計劃，在2022年實現(xiàn)商品化。”
2017年10月，豐田汽車公司副社長迪迪爾·勒羅伊宣稱要在2025年前推出新一代電池“固態(tài)電池”，其能大幅增加電動車?yán)m(xù)航里程。他表示，豐田公司正投入200多人進(jìn)行開發(fā)，并強(qiáng)調(diào)豐田在固態(tài)電池方面的專利為世界第一。去年底，寶馬宣布與電池技術(shù)公司SolidPower建立新的合作關(guān)系，目的正是進(jìn)行固態(tài)電池的研發(fā)，以用于商業(yè)化電動汽車的搭載。
而日立公司也宣布其固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)研發(fā)完成。“公司現(xiàn)在就可以提供與當(dāng)前鋰離子電池相同性能的固態(tài)電池，能更好的處理溫度變化，擁有更長的循環(huán)壽命。”日立佐森總裁Takashi Tanisho透露，“目前已經(jīng)將固態(tài)電池的樣品送到了航空航天和汽車行業(yè)的潛在客戶。”
與此同時，我國國家電池創(chuàng)新中心和中科院物理所在減緩富鋰錳基固溶體材料衰減、北京大學(xué)項目團(tuán)隊在開發(fā)新結(jié)構(gòu)的富鋰正極材料等項目上也取得了不同程度的進(jìn)展，歐陽明高表示：“大家知道三元811正極比容量只有210毫安時/克，現(xiàn)在新結(jié)構(gòu)富鋰正極材料已經(jīng)做到400毫安時/克，這為實現(xiàn)鋰離子電池500瓦時/公斤的目標(biāo)提供了可能性。”
值得一提的是，目前國內(nèi)三元材料電池出貨的“領(lǐng)頭羊”——寧德時代同樣在固態(tài)電池領(lǐng)域研究頗多，并且已申請到了包括固態(tài)電解質(zhì)膜片及鋰離子電池、鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)材料等多項專利。
而剛剛在CES 2018上引發(fā)轟動之后，萬向也在“百人會論壇”上發(fā)聲——萬向A123系統(tǒng)有限公司工程副總裁陳旸透露，“我們可能沒有采用很激進(jìn)的做法，我們是從熟悉的三元+石墨這個體系開始去研究固態(tài)電解質(zhì)的集成與生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化的問題，第一步最簡單，我們逐步引入硅碳負(fù)極、鋰金屬負(fù)極以及先進(jìn)的正極材料，逐步走向全固態(tài)的過程。”他透露，“目前萬向A123正在全球與多個合作伙伴共同從事這個項目的研究，而且我們把制造性、產(chǎn)業(yè)化作為研究的重點。”
而北大先行科技產(chǎn)業(yè)有限公司總裁、CEO高原認(rèn)為，固態(tài)電池“風(fēng)險高”但是“回報也高”，“現(xiàn)在我們聽的很多的就是全固態(tài)電池，全固態(tài)電池它當(dāng)然好處可以用鋰金屬，用了鋰金屬負(fù)極的能量密度就大大提高了，當(dāng)然好處就是固態(tài)電解液室溫下的電導(dǎo)率，還有大家不談的一個事情，即便我們用鋰金屬做負(fù)極，雖然算起來能量密度很高，比如你算出來需要一公斤的鋰金屬，可能要往里面放三四倍所需要的鋰金屬，因為每一次鋰金屬循環(huán)回來的時候他都會形成一個新的表面，新的表面會消耗一部分鋰。”
當(dāng)然，也有專家提醒大家注意固態(tài)電池的“虛火”。中國工程院院士楊裕生就直言不諱，“最近大家可能很關(guān)注固態(tài)電池，實際上正確講應(yīng)該是全固態(tài)電池，但是現(xiàn)在把固態(tài)電池里面放一點少量的有機(jī)電解液，也叫做固態(tài)電池，實際上這個是有點不倫不類。真正的全固態(tài)電池安全性是高的，這個可能是10年以后的事情，把希望寄托在10年以后的電池，來發(fā)展當(dāng)前的電動汽車，這是虛無縹渺。”
而歐陽明高此前同樣強(qiáng)調(diào)：“全固態(tài)鋰電池，這個詞每一個字都不能少、不能變，比方說‘全固態(tài)’跟‘固態(tài)’是不一樣的，‘鋰電池’和‘鋰離子電池’不是一個概念。所謂‘全固態(tài)鋰電池’是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)成分的鋰電池，所以我們?nèi)Q是‘全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池’。”
而目前有所突破、有性能優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景的，主要是固態(tài)鋰離子電池。歐陽明高解釋說，“固態(tài)鋰離子電池，其電解質(zhì)是固態(tài)，但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì)；所謂半固態(tài)，就是固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)各占一半，或者說電芯的一半是固態(tài)的、一半是液態(tài)的，所以還有準(zhǔn)固態(tài)的，就是主要為固態(tài)、少量是液態(tài)。”
此前提到的，“豐田做的不是全固態(tài)鋰金屬電池，做的是固態(tài)鋰離子電池，它的負(fù)極是石墨類，硫化物電解質(zhì)，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(xiàn)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(fù)極還可以用以前的。韓國，也是石墨類負(fù)極，并不是金屬鋰負(fù)極，跟日本差不多。”歐陽明高表示，“中、日、韓的情況是類似的，因為我們已經(jīng)有了很大的鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)鏈，不希望推倒重來。”
