锂电池的下一个机遇--固态电解质

2017-08-23 13:25:37 admin 2214

津衢电子(上海)有限公司,专业生产定制各种类型锂电池、多用途锂电池。

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  锂电安全从来都是行业所关心的问题。随着应用端及政策层面对能量密度的要求不断提升,毫无疑问,三元电池成为不可逆转的主流技术路线。但是,至今都没有很好的解决方案提升三元电池的安全性能,就连号称BMS做到全球最好的特斯拉,也无法避免安全事故的发生。2017年仅仅是国内就有两辆Model S发生严重起火事件,大家对三元电池的安全顾虑都没有完全消除。
  为解决行业发展的痛点和难题,锂电行业专家和企业都在不断寻找新的发展思路,而电解液就是其中思路之一。众所周知,电解液是锂离子电池不可或缺的重要组成部分,有了它,才使锂离子电池得以拥有高电压、高循环性能等优点。锂离子电池通常采用有机溶剂作为电解液,但是这类有机溶剂很容易燃烧。因此,一旦电池由于内短路产生高温或者火花,电解液将在瞬间被完全点燃并导致整个电池发生爆炸,产生安全事故。所以,新的思路是,将易燃的液态电解液,变成固态电解质,降低因为易燃而导致的安全风险,同时也能获得更好的性能。随着新能源汽车的发展,高能量密度、高安全性电池成为市场发展的必然方向。有专家分析认为,固态电解质代替传统电解质是提升锂电池安全性的必然方向。
  美国麻省理工学院材料与工程学教授格布兰德·塞达尔和博士后王燕(音译)均表示,固态电解质将是“一个真正的游戏规则颠覆者”,它将打造出一款完美的电池——固态电解质电池,既可以解决目前锂离子电池所面临的绝大多数问题,又可以在电池的寿命、安全性以及成本之间实现最佳平衡。
  那么固态电解质电池具有怎样的魅力呢?
  中国电工技术学会电动车辆专业委员会委员、北京理工大学电动车辆国家工程实验室孙立清曾表示,固态电解质电池将会是下一个风口,是未来新能源电池的主要发展趋势。和传统锂电池相比,固态锂电池的差异在于电解质固态化,因此理论上存在一定的优势。

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安全性能高。因为液态电解质中含有易燃的有机溶液,所以发生短路时温度骤升,容易发生燃烧和爆炸事故,需要安装防短路的安全装置结构和温度检测装置。而固态电解质拥有不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题等先天优势,而且克服了锂枝晶现象,因而全固态电池具有极高的安全性和实用性。

  能量密度高。目前,市场中应用的锂电池能量密度为200Wh/kg,如果采用固态电解质,锂电池能量密度基本可达300-400Wh/kg,几乎翻了一番。
  相对较轻。相比液态电池,相同容量的电池组,固态电解质电池相对较轻。比如特斯拉-松下生产的三元锂电池组质量达到900kg,而固态电池创业公司Seeo Inc生产的相同容量电池组的质量却只有323kg,接近前者的三分之一。
  循环性能强。固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜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,理想情况下循环性能表现优异,能够达到45000次左右。
  固态电解质拥有更优势的同时,也存在一定的缺点,这也是将固态电解质电池止步于商业化的主要原因。

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  界面阻抗过大。与传统锂电池相比,固态电解质电池的固-固界面存在电极与电解质之间有效接触较弱,离子在固体物质中传输动力学低等问题,为了避免因空间电荷层导致的高界面阻抗,专家不断进行实验,期望早日突破。
  快充比较难。固态电解质电池有倍率性能很低的LiPON系列电池(实际上氧化物体系的电解质普遍倍率性能不佳),也可以基于硫系高性能电解质做出高倍率还不错的固态锂硫电池。但是总体来说,作为动力电源使用,固态电解质电池在高倍率性能方面还是有很多挑战的。
  成本价格高。据了解,液态电解质锂电池的成本大约在200-300美元/千瓦时,如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电解质电池,其成本会达到1.5万美元,而足以为汽车供电的固态电解质电池成本更是达到令人咋舌的9000万美元。
  固态电解质电池并不是新鲜事物。早在2010年,丰田就一直在固态电池领域默默探索。但是一直没有起色,直到2016年12月份向美国专利局提交的固态电池专利终于获批,博得各大版面的头条。中国工程院陈立泉院士也曾表示,如果现在还不布局全固态电池,将会错失发展时机。而且企业也看好固态电池的前景,因此纷纷在全固态电池方面布局。
  从美国专利局公示的丰田固态电池专利申请内容不难看出,丰田研发的固态电池的电解质由硫化固态电解质材料组成,其中包含锂、硫、磷和碘元素,电极活性材料层则添加了特殊的磷酸酯,得以改善了电池的热稳定性。


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