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解析:全球固态锂电池研发进程

2017-06-12 15:40
科技潮人
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1.能量与安全性能持续升级,固态锂电池优势突出

固态锂电池有望成为下一代锂电池发展的重要方向。世界各国先后制订了高能量密度锂电池的研发目标,日本政府率先提出“2020年纯电动汽车用动力电池电芯能量密度达到250Wh/kg,2030年达到500Wh/kg”的目标。2015年11月美国USABC将2020年电芯能量密度目标由原来的220Wh/kg提高至350Wh/kg。《中国制造2025》确定的技术目标是2020年锂电池能量密度到300Wh/kg,2025年能量密度达到400Wh/kg,2030年能量密度达到500Wh/kg。

固态锂电池会成为下一代锂电池?

各国为实现既定的高能量密度的目标,均在积极地进行锂硫电池、锂空气电池、或锂金属电池等电池的先导性研究。从当前能量密度持续提升的态势及研发的进展来看,我国提出的2025年400Wh/kg的能量密度要求较高,正加速倒逼新型电池技术的研发及应用。目前,一些企业研发出的全固态锂电池能量密度可达300-400Wh/kg,其有望成为作为下一代高能量密度动力和储能电池技术的重要发展方向,全固态锂电池的研发和应用已成为学术界和产业界的共识。

相较于传统锂电池,固态锂电池的差异在于电解质固态化。全固态锂电池与传统锂电池一样,包括电池各单元(正极、负极、电解质),其工作原理与传统锂电池的原理相同。

在电解质方面,固态锂电池采用聚合物、无机物等固态电解质替代了传统锂电池中的液态电解质(有机电解液),当前主要以thio-LISICON硫化物、氧化物、聚合物和硼氢化锂基等作为固体电解质,这是二者的核心差异,正是由于这种差异,电解质盐、隔膜与黏接剂等化学物质都不再使用,全固态锂电池结构大为简化。目前电解质的研究主要集中在高电导率的复合型电解质等研发。

在正极方面,以往研究中全固态锂电池主要使用LiCoO2作为正极材料,此外也有LiFePO4、LiMn2O4、三元材料等传统氧化物正极,还能兼容更高电压的氧化物正极、高容量硫化物正极等。正极的研究方向集中在降低正极的界面阻抗,提高高倍率放电性能,方式如原位表面修饰等。

在负极方面,全固态锂电池除了石墨负极之外,一系列高性能负极材料也在不断开发应用,包括金属Li(Li-In合金)、碳族(如碳基、硅基和锡基)、以及氧化物等负极材料。

固态锂电池会成为下一代锂电池?

固态锂电池安全性及高能量密度的性能优势突出。固态锂电池在继承传统锂电池的优点基础上,安全性、能量密度等方面有了大幅进步。

1)安全性极高:与传统锂电池相比,全固态电池最突出的优点是安全性。液态电解质易燃易爆,以及在充放电过程中锂枝晶的生长容易刺破隔膜,引起电池短路,造成安全隐患。而固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,也克服了锂枝晶现象,因而全固态电池具有极高安全性。

2)能量密度提升:一是电压平台的提升,电池能量密度将增大。有机电解质电化学窗口有限,难以兼容金属锂负极和新研发的高电势正极材料,但是固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口,有利于进一步提升电池的能量密度。二是固态电解质能阻隔锂枝晶生长,材料应用体系范围大幅提升,为具有更高能量密度空间的新型锂电技术奠定基础。目前全固态锂电池研发可提供的能量密度基本可达300-400Wh/kg。

图3:固态锂电池性能优势突出

固态锂电池会成为下一代锂电池?

3)循环性能增强:液态电解质在充放电过程中可与锂离子发生不可逆反应,形成固体电解质界面膜(SEI),会导致活性物质和电解质的损失,降低了库伦效率。而固态电解液解决了固体电解质界面膜(SEI)的问题和锂枝晶现象,大大提升了锂电池的循环性和使用寿命(例如LIPON做电解质材料,理想情况下循环性能表现优异,循环45000次左右)。

4)适用范围扩大:固态电解质赋予固态锂电池结构紧凑、规模可调、设计弹性大等特点,固态电池既可以设计成厚度仅几微米的薄膜电池,用于驱动微型电子器件,也可制成大容量电池,用于动力和储能领域。此外,固态材料内在的高低温稳定性,为全固态电池在更宽的温度范围(工作温度范围约为-25C到60C)内工作提供了基本保证。

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