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固態(tài)鋰電池是未來(lái)鋰電池極有希望的發(fā)展方向

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1309次  |  2019年03月14日  

導(dǎo)語(yǔ):在張衛(wèi)新看來(lái),針對(duì)新型化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω甙踩?、長(zhǎng)壽命鋰二次電池的發(fā)展需求,發(fā)展大容量全固態(tài)鋰電池前沿技術(shù)刻不容緩。


傳統(tǒng)鋰離子電池系統(tǒng)采用液體電解質(zhì),存在著易泄露、易腐蝕、安全性差與可靠性低等問(wèn)題,同時(shí)也極大限制了鋰電池向高能量密度的發(fā)展,不能完全滿(mǎn)足規(guī)?;I(yè)儲(chǔ)能在安全性方面的要求。


“全固態(tài)鋰離子電池使用固態(tài)電解質(zhì),不易燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)泄露,具備固有安全性與更長(zhǎng)的使用壽命?!焙戏使I(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副院長(zhǎng)張衛(wèi)新表示,“合理的規(guī)劃布局將有利于我國(guó)抓住固態(tài)電池迅猛發(fā)展的機(jī)遇,促使傳統(tǒng)電池尤其是動(dòng)力電池企業(yè)加速轉(zhuǎn)型,在新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。”


2月27日,在固態(tài)電池技術(shù)、智能裝備與市場(chǎng)應(yīng)用研討會(huì)上,張衛(wèi)新發(fā)表了題為《全固態(tài)鋰離子電池的研發(fā)進(jìn)展》的主題演講,分享了全固態(tài)鋰離子電池的研發(fā)背景、工作原理、研發(fā)進(jìn)展、產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)化前景等。


“近幾年鋰離子電池燃燒爆炸的新聞層出不窮,安全性問(wèn)題急需關(guān)注。”張衛(wèi)新認(rèn)為,為了從根本上解決鋰電池的安全性問(wèn)題,提高其能量密度,將可燃易爆的有機(jī)電解液全部替換為本身不易燃、熱穩(wěn)定性好的固體電解質(zhì)是非常有效的解決方案。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

此外,按照《中國(guó)制造2025》確定的技術(shù)目標(biāo),2020年鋰電池能量密度達(dá)到300W·h/kg,2025年能量密度達(dá)到400W·h/kg,2030年能量密度達(dá)到500W·h/kg?;诟哝嚾?硅碳負(fù)極材料,現(xiàn)有體系的鋰電池能量密度很難突破300W·h/kg。


張衛(wèi)新表示,電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)的核心,電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項(xiàng)性能參數(shù),如功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。相對(duì)于傳統(tǒng)的鋰離子電池,全固態(tài)鋰離子電池最明顯的變化是其電解質(zhì)由原來(lái)的電解液變?yōu)榱斯虘B(tài)的電解質(zhì),使得電池體積大大降低,能量密度也得到提升。


在張衛(wèi)新看來(lái),針對(duì)新型化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω甙踩浴㈤L(zhǎng)壽命鋰二次電池的發(fā)展需求,發(fā)展大容量全固態(tài)鋰電池前沿技術(shù)刻不容緩。


目前,固態(tài)鋰電池由于其優(yōu)異的能量密度和安全性,吸引法國(guó)Bollore、美國(guó)Sakti3、豐田、寧德時(shí)代、清陶、國(guó)軒高科、珈偉股份、贛鋒鋰業(yè)、北京衛(wèi)藍(lán)等國(guó)內(nèi)外能源廠商紛紛布局。


關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)的研究進(jìn)展,張衛(wèi)新介紹,固態(tài)電解質(zhì)可分為無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)、聚合物固態(tài)電解質(zhì)以及其他固態(tài)電解質(zhì)。

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標(biāo)稱(chēng)電壓:28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

聚合物固態(tài)電解質(zhì)主要分為PEO(聚環(huán)氧乙烷)基體系、聚碳酸酯基體系、聚硅氧烷基體系與聚合物鋰單離子導(dǎo)體基體系,其優(yōu)點(diǎn)是高溫性能好,并率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,但工作溫度較高,需要專(zhuān)門(mén)的熱管理系統(tǒng),成本較高,負(fù)極表面有磷酸鹽保護(hù)層(成本極高),電池系統(tǒng)能量密度沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)(~130W·h/kg),功率密度較低。研究方向主要為將PEO與其他聚合物共混、共聚或交聯(lián),或添加無(wú)機(jī)顆粒形成有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化體系,提升核心能力。法國(guó)Bollore旗下的BatScap研發(fā)的聚合物固態(tài)電池已投入商業(yè)化使用,規(guī)格是30kW·h。目前這種Bluecar已有近4000輛。


無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)包括氧化物電解質(zhì)和硫化物電解質(zhì)。


氧化物電解質(zhì)主要分為晶態(tài)(LISCON結(jié)構(gòu)、NASICON結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)與石榴石結(jié)構(gòu))與非晶態(tài),其優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)性能良好,化學(xué)穩(wěn)定性高,適用于薄膜柔性結(jié)構(gòu),缺點(diǎn)是低室溫電導(dǎo)率。研究方向主要為元素替換與異價(jià)元素?fù)诫s來(lái)提升電導(dǎo)率。


硫化物電解質(zhì)主要分為二元體系(Li2S和P2S5)與三元體系(Li2S、P2S5與MS2,M=Si、Ge、Sn),其優(yōu)點(diǎn)是電導(dǎo)率最高,是未來(lái)主要方向,但制備與使用環(huán)境要求苛刻,對(duì)金屬鋰與氧化物正極均不穩(wěn)定。研究方向主要為降低合成成本,引入多元素?fù)诫s。


但是,目前全固態(tài)鋰離子電池也面臨著挑戰(zhàn),包括離子電導(dǎo)率低、界面阻抗大、制備成本高等。


電解質(zhì)由液態(tài)換成固體之后,鋰電池體系由電極材料—電解液的固液界面向電極材料—固態(tài)電解質(zhì)的固固界面轉(zhuǎn)化,固固之間無(wú)潤(rùn)濕性,界面接觸電阻嚴(yán)重影響了離子的傳輸,造成全固態(tài)鋰離子電池內(nèi)阻急劇增大、電池循環(huán)性能變差、倍率性能差。


張衛(wèi)新表示,目前主要解決方案有:金屬鋰保護(hù)、聚合物電解質(zhì)改性以及鋰合金、粉末鋰電極、泡沫鋰電極等。


固態(tài)鋰電池正極材料一般采用復(fù)合電極,除了電極活性物質(zhì)外還包括固態(tài)電解質(zhì)和導(dǎo)電劑,在電極中起到傳輸離子和電子的作用。聚合物的離子傳輸是通過(guò)無(wú)定形區(qū)域的鏈段運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。為了提高鏈段的活動(dòng)性,一般通過(guò)加入填料或與其他聚合物單體共聚合等方式,以提升材料的離子導(dǎo)電率。


負(fù)極材料目前主要集中在金屬鋰負(fù)極材料、碳族負(fù)極材料和氧化物負(fù)極材料三大類(lèi),其中金屬鋰負(fù)極材料因其高容量和低電位的優(yōu)點(diǎn)成為全固態(tài)鋰電池最主要的負(fù)極材料之一。

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