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固态电池即将商用,其他动力电池新技术进展如何?

2021-01-11 10:29:32


1月9日,蔚来发布了固态电池包,总电量可达150kWh电池包,装配在ET7上,续航里程将超过1000km。


蔚来方面表示,该电芯密度达到360Wh/kg,电池包能量密度能提升50%。
 
蔚来汽车官方透露,搭载这种技术的蔚来电动车预计将于2022年第四度交付。这是首款明确确定了量产商用固态电池的车型。
 
可以看到,作为最有希望的下一代电池,固态电池似乎已经到达产业化应用的前夜。
 
被称为下一代的电池技术有很多,除了固态电池,还有锂空气电池、锂硫电池等等。
 
这些技术的进展如何?优势和短板又有哪些?
 
2021年1月9日,国轩高科第十届科技大会第二天,中科院物理所研究院李泓、厦门大学教授董全峰和中国科学技术大学教授陈春华就对上述三种技术的进展状况进行了阐述。

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固态电池有望率先量产
 
蔚来日上,蔚来透露,采用的固态电池采用了原位固态化技术。根据《电动汽车观察家》目前掌握的信息,北京卫蓝新能源科技有限公司一直在研发原位固态化技术,很有可能就是蔚来的供应商
 
所谓原位固态化,通俗一点说就是把液体转化成固体,比如说先加入液体,加入液体之后就液体能够跟颗粒很好的浸润包覆,然后再将液态转化为固态。这样也能做到原子尺度的结合,而不是宏观的把它们(电极材料和固态电解质)压在一起解决。
 
根据中科院物理所研究员李泓的介绍,原位固化是物理所的成果,他们的核心理念是,通过注液保持良好的电解质与电极材料的原子级接触,之后通过化学或电化学反应,将液体电解质部分或全部转换为固体电解质,综合平衡高电压、安全性、锂枝晶、体积膨胀和接触内阻等问题。

具体来看,卫蓝主要通过七方面达到这一目的。
 
首先,原位固态化技术,解决固固界面问题,让固态电池充放电更快捷、持久和安全;其次,采用原子级键合技术,让固态电池循环过程更稳定;第三,用复合金属锂技术,让固态电池能量密度更高,全寿命体积膨胀更小,循环寿命更长;第四,固态电解质技术,让固态电池能在高温状态下工作,显著提升电池安全性;第五,通过离子导电膜技术,让固态电池电极与隔膜直接界面更稳定,离子传导更快捷,来支持全固态电池发展;第六,三维集流体技术,让固态电池循环过程中的内阻更低,电子传导保持性更好;此外,还采用新型电池装备,让固态电池电芯具有新的性能,产品能够实现量产。


当然,市场上生产固态电池的企业数量很多,中国除了卫蓝,还有辉能、清陶、赣锋锂业、宁德时代、国轩高科等,几乎所有锂离子电池企业都在研发固态电池。他们的具体解决方案都略有差异。

在这些企业努力下,固态电池产业化似乎近在咫尺。
 
李泓预测称,2022-2023年,搭载混合固液电解质电池的产品将会出现。到2025年,有可能形成百Gwh体量,然后再逐渐替代液态电池。不过李泓也表示,到那时液态锂电池规模很可能达到800-1000GWh。固态电池也就是10%—20%的占比,所以要谈固态电池的产业化和占比,应该以10年时间作为发展尺度,才有可能形成一个比较高的市场占有率。
 
从行业发展程度也可以大致推断,蔚来ET7搭载的固态电池很大可能是固液混合电池,也就是半固态电池。
 
人类对高能量密度电池的追求是没有止境的。不过,尺有所长、寸有所短。从目前技术进展来看,能量密度越高的锂电池,其循环性能越差。
其中锂空气电池和锂硫电池就是典型。
 
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锂空气电池难点颇多
 
先来看比能量最高的锂空气电池。
 
从材料来看,锂和空气都是自然界非常常见的物质,在某种程度上可以说是取之不尽用之不竭。
 
从数据上看,非水锂空气电池具有高达3449Wh /kg(以Li2O2 计算)的能量密度, 是目前商品化锂离子电池的5~10 倍
 
仅追求比能量,锂空气电池显然非常合适,但是实际应用中,需要的是寿命、安全性、功率等等方面相互平衡。
 
目前,锂空气电池在比能量以外的短板就太明显了。而且锂空气电池中发生的反应比较复杂,还伴随着副反应发生。
 
从表现上来看,非水锂空电池氧电极电化学动力学反应非常缓慢,导致充放电能量效率低、充放电过电位高、倍率性能差、可逆性差以及循环稳定性差等特点。
 
厦门大学教授董全峰解释道,锂空气电池与锂离子电池最大的差异在于其活性物质为气体,反应后生成固态产物,因此必须提供足够的空间来存储这些产物,“果没有这个空间,高容量就无从实现。”
 
为了解决这些问题,他们采取了一系列手段,例如固相表面催化、液相表面催化、开放结构电极以及功能性阻挡层等。
 
董全峰表示,这些策略可以较大幅度降低充电的过电位,取得了比较好的结果,“容量可以放到10000mAh/g以上。”
 
在董全峰看来,锂空气电池的重点是电极的氧化或充电过程,如果能够很好地解决充电过程,锂空气电池就迈出了很关键的一步。
 
目前看,固相表面催化取得了比较好的化学性能,大幅降低的充电过电位,“从原来的一点几伏降到零点几伏。”
 
但锂空气电池中氧气在电解液中发生还原反应时生成的固相产物如果覆盖了表面,这个反应是无法继续进行的,就不会取得更高的放电容量。
 
因此诱导固相产物向液相中扩展生长,而同时能够使其在充电时被分解则是最理想状态。为了达到这个目的,董全峰的思路是液相扩展催化,取得了高容量和循环稳定性。
 
在结构方面,董全峰课题组结合仿生学原理,向大自然学习,设计了开放式剑麻状结构,对氧的吸收、扩散反应都非常有利,大幅提高了电池性能
 


此外,还有保护膜的问题,因为在氧气中,金属锂负极的腐蚀更加严重。因此,他们构建多层阻氧多功能SEI膜,也产生了一定的效果,可以大幅度延长锂空气电池的寿命。

虽然,董全峰的一系列研究提升了锂空气电池的各方面性能,但是其性能距离实际应用仍然有很大距离。他认为,锂空气电池涉及到固体、液体、界面反应不同的新体系,增加了反应的困难,使体系更复杂。

虽然困难重重,但他对于产业化前景仍然很有信心我们可以充分借鉴燃料电池(的发展进程)。这个突破点一旦找到,会比燃料电池更快使用。


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锂硫电池循环寿命是短板

锂硫电池的情况与锂空气电池差不多。

锂硫电池在理论上具有2600Wh/kg的质量比能量和2800Wh/L的体积比能量,且材料成本低廉、环境友好,可以满足很多新兴技术的要求,受到学术界和产业界的广泛关注。

锂硫电池仅需约30%的理论比能量,就可以实现750Wh/kg的实际比能量。而对于锂电池来说,即使负极使用金属锂,在电芯制备工艺达到极限的情况下,其实际比能量也仅能达到600Wh/kg。

高比能量带来的另一个优势就是成本低。

这个很好理解,要达到相同比能量,锂硫电池材料少很多,成本自然就低很多。

从世界范围来看,限制锂硫电池发展的关键科学问题也尚未彻底解决。

锂硫电池虽然比能量和成本表现突出,但是电动汽车需要的安全性、功率密度、快充性能、搁置寿命和循环稳定性等都不能满足。

正极材料主要影响锂硫电池的比能量、比功率和能量转换效率;负极材料决定了锂硫电池的安全性能;电解质几乎与锂硫电池所有性能都有密切关系;基本上所有关键材料都影响锂硫电池的使用寿命。

锂硫电池的发展严重受限于较差的循环寿命,主要有以下四个原因造成,一是,正极产生的多硫化锂溶解并迁移至负极发生不可逆化学反应,活性物质损失;二是,正极硫化锂的不均匀沉积,导致电化学可逆性变差;三是,电解液在金属锂表面发生分解,导致电池逐渐干涸;四是,金属锂枝晶刺破隔膜引起短路

针对循环寿命,中国科学技术大学教授陈春华采用蚁巢状的碳纳米纤维电极来解决,这种结构能够有效提升电池的循环寿命,而且能够使硫负载量达到8.6-11.5mg/cm2。要改善锂硫电池的循环寿命,只在电极上形态做文章是不够的,还要在电解液等方面进行改良。

电池领域的人常说的一句话是“按下葫芦起了瓢”,解决一方面短板时,往往带来其他方面的问题,要想综合性能平衡,还需要更多的探索。

中汽中心动力电池领域首席专家王芳也表达了类似观点,一个新材料的出现到它完全走向产业化,从实验室的研发到小试到大规模的生产,可能需要一个完整的雷达图的评价体系。可能会包含性能、寿命、安全和可靠性,都要满足成熟商品的要求。最终,要评估某一个材料,比如固态电池或者锂硫电池,能不能作为一个产品进入市场,要看雷达评价,要达到平衡。

通过了解这些技术可以发现,固态电池是各方面性能最接近平衡的下一代电池,蔚来的150kwh固态电池电池包,是很近的未来。(完)