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三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的固態(tài)電池有什么特點?氧化物固態(tài)電解質(zhì)的技術(shù)優(yōu)勢在哪?

來源:寶鄂實業(yè)    2019-04-24 23:33    點擊量:

固態(tài)燃料電池(SOFC)和固態(tài)電容器(MLCC)中也采用了氧化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù),能夠為氧化物全固態(tài)電池的生產(chǎn)提供一定的參考,目前常見的能夠用于氧化物固態(tài)電解質(zhì)薄膜的制備工藝如下表所示,其中氣相沉積方法在制備大尺寸和大厚度(5-30um)的薄膜時出錯概率過高,因此并不實用,而等離子或火焰噴霧法則因為材料的穩(wěn)定性問題也無法應(yīng)用,因此最后能夠用于氧化物全固態(tài)電池生產(chǎn)的方法僅有6種,下圖展示了6種薄膜制備方法在固態(tài)電解質(zhì)層和正極層制備中的便利程度,以及在固態(tài)電池制備種的可靠性。

 

為作者根據(jù)上面的分析設(shè)計的兩種可行的氧化物固態(tài)電池的生產(chǎn)流程,其中下圖a為正極支撐型,首先將正極材料、固態(tài)電解質(zhì)、粘結(jié)劑、添加劑和溶劑等混合漿料涂布在集流體上,干燥后進(jìn)行激光切割,然后進(jìn)行低溫焙燒,然后再次進(jìn)行激光整形,然后采用噴霧沉積方法在電極表面沉積一層固態(tài)電解質(zhì)層,然后在中等溫度下進(jìn)行燒結(jié)(600℃),制備好的極片與金屬鋰負(fù)極組合后就可以制備成為全固態(tài)電池,這種方法的優(yōu)勢是不需要采用高溫,因此避免了副反應(yīng)的發(fā)生,同時正極和電解質(zhì)層可以采用不同的固態(tài)電解質(zhì)類型,以充分發(fā)揮他們的優(yōu)勢,該方法主要的不成熟環(huán)節(jié)為噴霧沉積法工藝。

 

則展示了三層復(fù)合結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)層電池的制備工藝,首先進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)電解質(zhì)層的制備,然后再涂布一層高密度電解質(zhì)層,高溫?zé)Y(jié)后在多孔層一側(cè)涂布正極漿料,使其深入到多孔結(jié)構(gòu)中,然后進(jìn)行低溫?zé)Y(jié),確保正極材料與電解質(zhì)之間良好的離子電導(dǎo)率,最后將融化的金屬Li涂布在固態(tài)電解質(zhì)的另外一側(cè)完成電池的組裝。

 

影響動力電池應(yīng)用的另一大因素就是其生產(chǎn)成本,雖然目前固態(tài)電池多數(shù)還停留在實驗室階段,成本估計還缺少有效數(shù)據(jù),但是我們可以通過與其接近的SOFC燃料電池進(jìn)行估算(如下圖所示),下圖a為SOFC電池的生產(chǎn)成本,包括人工和燒結(jié)在內(nèi)的加工成本占到了75%,而材料成本僅為25%。由于三層復(fù)合電解質(zhì)層固態(tài)電池的生產(chǎn)過程與SOFC電池接近,因此我們可以采用SOFC數(shù)據(jù)對其成本進(jìn)行預(yù)測,目前全固態(tài)電池的材料成本主要受到氧化物固態(tài)電解質(zhì)LLZ的控制,目前LLZ的價格高達(dá)2000$/kg,但是隨著固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展,因此LLZ的成本會發(fā)生大幅的下降,這里可以假設(shè)LLZ最低成本能夠降低到50$/kg,因此在電池結(jié)構(gòu)相近的情況下,正極LNMO厚度為70um時,單個電池的成本為0.12$,如果降低正極的厚度提高到150um,則單個電池成本會提高到0.23$。

 

由于固態(tài)電池的生產(chǎn)成本中大多數(shù)為生產(chǎn)過程成本,因此擴大生產(chǎn)規(guī)模能夠有效的降低電池的成本,從下圖b能夠看到在小規(guī)模生產(chǎn)(10000只/年)時生產(chǎn)過程成本會達(dá)到750-2500$/kWh,但是如果產(chǎn)能擴大到1億只/年(10-20GWh/年),則生產(chǎn)過程成本會大幅下降到75-240$/kWh,因此最終全固態(tài)電池的成本有望下降到140-350Wh/kg。但是即便如此,生產(chǎn)過程成本仍然占比超過50%,相比于鋰離子電池(過程成本僅為20-30%)仍然明顯偏高。

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