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锂离子电池能量密度显著提升

来源:【TRD拓尔德】 发布日期:2020-08-21 分享 加入收藏 关注:288

哥伦比亚大学资料科学与工程学院的助理教授杨远开发了一种提升锂离子电池能量密度的全新方法。他的三层结构电极能在裸露的空气环境中维持稳定,因此使得电池电量愈加耐久、制作本钱进一步下降。此项方法可以将锂离子电池的能量密度提升10-30%。


1.多技术途径并存,全球工业加速布局


电解质材料是全固态锂离子电池技术的中心。全固态锂离子电池的电解质材料很大程度上决定了固态锂离子电池的各项功能参数,如功率密度、循环安稳性、安全功能、高低温功能以及运用寿命。


依据固态电解质资料类别,可以分为聚合物全固态锂离子电池和无机物全固态锂离子电池,不同类型的电解质其功能具有较大的差异,依据结构规划的不同,全固态锂离子电池又可分为薄膜型和大容量型。


1)聚合物电池高温作业功能好,最早完结商业化


聚合物电池高温作业功能较好,现在最优技术道路,最早完结小规划工业化。聚合物全固态电池的电解质首要是聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等,其间聚环氧乙烷(PEO)研讨开发最早也最为老练。在高温条件下,聚合物(如PEO)离子电导率高,能与正极复合构成接连的离子导电通道,且对金属锂具有较高的安稳性,聚合物简单成膜,其柔性易于加工,既可以制成薄膜型,也能制成大容量型,运用规划广,因此跟着材料功能前进和制作工艺的改进,使得聚合物全固态锂离子电池成为最简单也是最早完结了小规划商业化出产。不过现在聚合物室温电导率较低以及较低的电压其大规划工业化开展仍有约束。聚合物固态锂离子电池的开发首要以Bolloré、CATL、Seeo、中科院青岛生物动力与进程研讨所为代表。


Bolloré出产出的全固态二次电池(LMP),负极资料选用金属锂,电解质选用聚合物(PEO等)薄膜,现在现已批量运用在法国的EV同享效劳轿车“Autolib”和小型电动巴士“Bluelus,整体运用超越3000辆。


Seeo开发的全固体二次电池选用大创企业的干聚合物薄膜,供给的样品电池组能量密度为130-150Wh/kg,2017年能量密度能到达300Wh/kg。国内CATL在聚合物方面也开展较快,现在现已规划制作出了容量为325毫安时的聚合物电芯,体现出较好的高温循环功能。


2017年四月中科院青岛生物动力与进程研讨所获得重大进展,该所开发的大容量固态聚合物锂离子电池“青能I号”完结深海科考,据悉,其能量密度超越250Wh/kg,500次循环容量坚持80%以上,在多次针刺和揉捏等严苛测验条件下坚持非常好的安全功能。别的,“青能II号”也现已研制成功,能量密度高达300Wh/kg。


2)硫化物功能参数最佳,开发潜力巨大


硫化物在作业功能参数上体现杰出,且易于加工。硫化物全固态电池的首要电解质是thio-LISICON和LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等。


首要,相有关聚合物和氧化物,硫化物的电导率较高,室温电导率可以到达10-3~10-2S/cm,挨近乃至超越有机电解液。其次,电化学窗口较宽(可完结5V以上)以及构成膜今后具有比较好的界面安稳性。最后硫化物与聚合物相似,硫化物柔性也较强,易于加工,较大的规划弹性拓宽了硫化物全固态锂离子电池的运用规划。硫化物仍面对界面问题和硫化物离子环境弱安稳性的约束要素。归纳来看,硫化物有着巨大的开发潜力,CATL、丰田等国内外企业纷繁加速布局。


3)氧化物循环功能杰出,适用于薄膜型结构规划


氧化物全固态锂离子电池:氧化物循环功能杰出,技能壁垒较高,研讨仍处于初期阶段。氧化物全固态电池的电解质首要是:LiPON、NASICON等,其间LiPON研讨最为老练,以LiPON为电解质资料时,正负极资料有必要选用磁控溅射、脉冲激光堆积、化学气相堆积等办法制成薄膜电极,然后制成薄膜型结构的全固态锂离子电池。


氧化物电池最为杰出的就是其优异的电池倍率功能及循环功能,它可以在50C下作业,循环45000次后,容量坚持率达95%以上。一起,LiPON对金属锂安稳,电化学窗口宽(相有关Li+/Li为0~5.5V),对电子绝缘。此外,氧化物电解质对空气和热安稳性高,质料本钱低,在实践工业化方面更易完结规划化制备。不过,氧化物的低室温电导率以及界面问题是氧化物全固态锂离子电池开发运用的首要妨碍,现在处于前期研讨阶段。


氧化物固态锂离子电池的开发现在首要有美国橡树岭国家实验室,QuantumScape,Sakti3以及中科院。现在现已小批量出产的固态电池首要是以无定形LiPON为电解质的薄膜电池,该项技能界面问题比较难处理,Sakti3称可以经过单元叠加串联的办法,将MWh等级的薄膜电池组装成kWh等级的EV用电池。其它企业没有发现存在可工业化的产品。从现在来看,室温离子电导率和界面问题加大了单纯的氧化物基固态电池的开发难度,现在仍处于处于前期的研讨阶段。


归纳来看,全固态电池是未来的重要开展方向已是业界一致,全球工业巨子纷繁加速布局脚步,希望在全固态锂离子电池范畴抢占先机。


2.能量与安全功能持续提升,固态锂离子电池优点突出固态锂离子电池有望成为下一代锂离子电池开展的重要方向。各国为完结既定的高能量密度的方针,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讨。从当时能量密度继续前进的态势及研制的进展来看,我国提出的2025年400Wh/kg的能量密度要求较高,正加速倒逼新式电池技术的研制及运用。现在,一些企业研制出的全固态锂离子电池能量密度可达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开展方向,全固态锂离子电池的研制和运用已成为学术界和工业界的一致。


相较于传统锂离子电池,固态锂离子电池的差异在于电解质固态化。全固态锂离子电池与传统锂离子电池相同,包含电池各单元(正极、负极、电解质),其工作原理与传统锂离子电池的原理相同。在电解质方面,固态锂离子电池选用聚合物、无机物等固态电解质代替了传统锂离子电池中的液态电解质(有机电解液),当时首要以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,这是二者的中心差异,正是因为这种差异,电解质盐、隔阂与黏接剂等化学物质都不再运用,全固态锂离子电池结构大为简化。现在电解质的研讨首要会集在高电导率的复合型电解质等研制。在正极方面,以往研讨中全固态锂离子电池首要运用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。正极的研讨方向会集在下降正极的界面阻抗,前进高倍率放电功能,办法如原位表面润饰等。在负极方面,全固态锂离子电池除了石墨负极之外,一系列高功能负极材料也在不断开发运用,包含金属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。


固态锂离子电池安全性及高能量密度的功能优势杰出。固态锂离子电池在承继传统锂离子电池的长处根底上,安全性、能量密度等方面有了大幅提高。1)安全性极高:与传统锂离子电池比较,全固态电池最突出的长处是安全性。液态电解质易燃易爆,以及在充放电进程中锂枝晶的生长简单刺破隔阂,引起电池短路,构成安全隐患。而固态电解质不行燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,也克服了锂枝晶现象,因此全固态电池具有极高安全性。2)能量密度的提高:一是电压渠道的提高,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制的高电势正极材料,但是固态电解质比有机电解液遍及具有更宽的电化学窗口,有利于进一步提高电池的能量密度。二是固态电解质能隔绝锂枝晶生长,材料运用系统规划大幅提高,为具有更高能量密度空间的新式锂电技能奠定根底。现在全固态锂离子电池研制可供给的能量密度基础可达300-400Wh/kg。3)循环功能增强:液态电解质在充放电进程中可与锂离子出现不可逆反应,构成固体电解质界面膜(SEI),会导致活性物质和电解质的丢失,下降了库伦功率。而固态电解液处理了固体电解质界面膜(SEI)的问题和锂枝晶现象,大大前进了锂离子电池的循环性和运用寿命。4)适用规划扩展:固态电解质赋予固态锂离子电池结构紧凑、规划可调、规划弹性大等特点,固态电池既可以规划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,用于动力和储能范畴。此外,固态资料内在的高低温安稳性,为全固态电池在更宽的温度规划(作业温度规划约为-25摄氏度到60摄氏度)内作业供给了根本确保。


3.技术难题正被逐一攻破,转型固态电池瓜熟蒂落


多项技术正逐渐推进,同源系统本钱下降指日可待。全固态电池首要面对以下几大技术难题:固态电解质与正负极之间界面阻抗过高、固态电解质电导率偏低、材料本钱制备本钱贵重等,现在不断有企业和科研机构提出相应的处理方法。


一旦技术得到整合运用,固态电池将能完结工业化,规划化出产后也可以大幅度下降固态电池的出产本钱。据Sakti3创始人AnnMarieSastry表明,现在固态电池出产功率较低,导致本钱较高,一旦规划化出产,固态电池本钱有望下降至100美金/千瓦时,仅为液态锂离子电池的一半左右(液态锂离子电池的本钱大约在200~300美金/千瓦时)。


固态锂离子电池结构简化助提出产功率,传统锂电企业转型便利。固态电池工业化取决于详细的资料技能与电池技能处理方法的打破,一旦要害材料、极片、正负极与电解质匹配的技术打破,因为其比较传统锂离子电池出产更易完结运用全自动化设备出产,可以较快速的完结工业化。


因为全固态锂离子电池结构简化、无需注入电解液,封装功率高,大容量的锂离子电池与固态氧化物染料相结合,使得电磁构建的工艺优化、高效联接,且单体内可以采取层叠串联技能,可选用印刷等新式技能规划化自动化出产,然后前进出产功率,下降规划本钱。


与传统锂离子电池电芯制作配备比较,固态电池的制作配备虽存在不同,但也不存在革命性的立异,仅仅制作环境需求在更高要求的枯燥间进行,这有关大多数传统锂电企业来说要添加的投入本钱不是很高,尤其是有关具有超级电容器、锂离子电容器、预锂化、钛酸锂、镍钴铝等空气灵敏储能期间或资料的企业来说,制作环境根本一致。革新总归要时间,期待更完善的电池技术的面世。


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