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全固态锂电池开发面临四个挑战

2017-01-16 01:33
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最近中日美三国政府提出的动力电池的发展目标,从技术的指标上,核心指标是能量密度,越提越高,从300瓦时每公斤,一直到500瓦时每公斤,包括美国DOE还有中国的重点专项,纳米材料、基因组都提出了很高的指标要求。

怎么样实现这些超高能量密度的指标,同时还要兼顾动力电池使用时的安全性、寿命、成本,这是摆在很多研发人员面前的问题。

从技术分析的角度,目前主要的动力电池还是正极材料匹配人造石墨这一类的负极材料,接下来提高能量密度,很可能要把硅负极引入,体积膨胀是很难解决的问题,接下来是把硅负极用金属锂替代,1972年研发到现在,历时50多年,有非常多的挑战,关键的几个问题是目前大多数的研发还是在有机的溶剂中,在有机溶剂中第一个问题是它不像石墨负极锂进和出,是非均匀的析出。第二是自发和电解液发生反映,体积变化也比较大。逐步导致锂离子电池VCR膜也不能稳定存在,安全性、自放电等方面还不能满足需求,非常多的企业和研发团队把希望寄托在全固态锂电方面。固态电池和业态电池在微观上也是三层结构,只是把现在的隔膜电解液替换为固态电解质,这是典型的照片,没有太本质的区别,核心是有可能负极使用了金属锂,在这种情况下,在正极这一侧,原来的液体可以充分浸润正极颗粒,在正极侧接触,这是难度非常大的。从大家预期的优点上,如果使用了金属锂,现在容易燃烧和爆炸的液态电解质,另外使用寿命等等都会延长,模块配置等都是大家期望的,在实践中这些数据有待进一步的检验,在2007年的时候,日本的NEDO在2008年公布了这样的路线图,在他们看来在远期的2030年,很多的电池形态是以全固态形式出现,包括金属锂、锂硫和锂空气电池,这些路线在不断修改中,但是大体是提高安全性的策略,就是固态化。

2016年,美国APER的两千万美元的项目,全部支持各类固体电解质的开发,以及固体电解质的制造技术,现在在中国,在过去两三年的推动下,从事固态电池开发的团队非常多,展示的单位不多,具备能力开发的小团队,从南到北非常多的研发团队为主,企业包括宁德时代新能源,苏州新陶还有珈伟股份等,我不一一介绍了。

目前总体而言,全固态锂电池开发面临四个挑战,一个是在电极层面,怎么样满足正负极课题和固体电解质的离子传输,特别是循环过程中,第二是循环过程中正负极材料不能像液体那样保持非常好的接触。还有金属锂电极的体积变化还有锂固体的变化。

接下来介绍一下,2013年中科院决定采取纳米先导专项。这里提出要做长续航的动力电池,通过提升能量密度来延长电动汽车的续驶里程,提出了300瓦时每公斤的指标,跟现在国家的任务是一致的。在这里包括第三代锂离子电池技术,包括现一代度固态电池,锂硫和锂空电池,包括12家科研单位,24个PI,400人,一直在动态的管理中。

再简单地说一下整个先导项目取得的进展,在样品的层面研制了一些高能量密度的锂离子、锂空、锂硫,还打造了高水平的诊断分析平台,金属锂表面引入无机的磷酸锂做这个事情,提高它的稳定性,这是由化学所的郭博士做的。他们最近开发了聚醚丙烯酸脂这是一个非常重要的突破。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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