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固态电池有望成为电动汽车的下一个理想动力源

作者:中国储能网新闻中心 来源:电气新科技 发布时间:2020-10-11 浏览:
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全球知名车企之一的丰田公司曾公开表态,将在2020年推出使用固态电池的新能源汽车。日前,丰田声称:相比锂电池,固态电池的能量密度可以提高两倍以上,且固态电池不受低温影响,充电速率更高。在电池寿命方面,丰田表示这种固态电池即便在使用30年后仍可以保持90%的性能。当然,由于固态电池成本因素,其市场初期价格要高于传统锂离子电池。

众所周知,锂离子电池是目前移动供电的最佳物质载体,推动了新能源汽车、笔记本电脑、智能手机、电动工具、电化学储能、无人机等多个行业的大发展,是一系列应用创新的奠基者。然而,它们在消费电子产品以及电动汽车领域的推广普及,并不能掩盖其在安全性、性能、外形尺寸和成本方面的局限性。

当前大多数锂离子技术都使用液体电解质,在有机溶剂中带有锂盐,例如LiPF6、LiBF4或LiClO4。由于电解质在负电极处的分解而导致的固体电解质界面,限制了有效电导率。液体电解质需要昂贵的膜来分隔阴极和阳极,还需要不渗透的外壳来避免泄漏问题。因此,这些都限制了电池尺寸和设计的自由度。此外,由于液体电解质使用易燃和腐蚀性液体,还存在安全和健康问题。

据《2019年动力电池安全性研究报告》统计,2019年1—7月国内外媒体所报道的与动力电池相关的电动汽车安全事故达到40余起,2019年国家市场监督管理总局因电池问题而召回的新能源汽车占总召回量的18.68%。据不完全统计,2020年内已发生超过50起新能源车型的起火事件。而在电池失控的主要触发条件当中,短路问题占大部分(大于90%)。对于传统的锂离子电池而言,大电流充电时内阻的增大会导致焦耳发热效应加剧,进而带来副反应,如电解液的反应分解、产气等一系列问题。

据了解,目前的高镍材料、碳硅负极的锂电池,单体能量密度最高应该在300Wh/kg左右(正负不超过20Wh/kg),高端锂离子电池在电池单元级别的能量密度可以达到700Wh/kg以上,可助力电动汽车的最大行驶里程约为500kM。虽然,改进的高镍阴极材料可以进一步提升能量密度,但是活性材料的特性可能会有一个阈值。

面对上述“掣肘性”问题,固态电池有望予以解决,特别是在电动汽车、可穿戴设备和无人机应用领域。传统锂离子电池采用隔膜+电解液中间含有液态物质,而固态电池则使用固态电解质。

在20世纪70年代,固态电解质实现了第一次应用,作为起搏器的原电池:一片锂金属与固体碘接触,这两种材料的组合就像短路的电池,它们的反应导致在其界面处形成碘化锂层,碘化锂层形成后几年内,仍有很小的恒定电流从锂阳极流向碘阴极。

而到2011年,丰田公司和东京理工学院的研究人员发现了一种硫化物材料,该材料具有与液体电解质相同的离子电导率。5年后,经过不断努力他们又将这一数值翻了一番,从而使固态电解质在大功率应用和快速充电应用方面更具潜能。这些创新性进展都推动了对新型材料的研究和投资,而这些新材料可以使当前的锂离子电池能量密度增加3倍。

固态电解质取代液体电解质可以使其成为更安全、更耐用的电池,因为它们更耐温度变化和使用过程中引起的物理损坏。固态电池在降解前可以处理更多的充放电循环,有望延长电池的使用寿命。更好的安全性,意味着电池模块/电池组中可以安装更少的安全监控电子设备。

由于固态电解质可以提供更大的电化学窗口,因此还可以使用高压阴极材料和锂金属。此外,高能量密度的锂金属阳极可进一步将能量密度推至1000 Wh/kg以上,这些特点都可以使固态电池在安全性、性能、成本等方面更具优势。

同时,由于电极和电解质都是固态的,固态电解质通常可以起到隔板的作用,消除某些组件(例如隔板和外壳)以缩小电池尺寸,减少电池的体积和重量,还能使电池组中的电池排列更加紧凑。而与传统的锂离子电池相比,它们有可能做得更薄、更柔软并且每单位重量能够包含更多的能量。例如,双极性的布置可以使电池的电压和容量更高,而简化的连接可以为电池组提供了额外的空间,使其可以容纳更多的电池。

当前,全球对各种固态电池公司的投资反映了固态电池的巨大潜力,据统计到2030年固态电池的市场规模将超过60亿美元。从技术和商业角度来看,固态电池的开发已成为下一代电池战略的一部分。

固态电池并非仅基于单一技术,该行业有多种可用的技术方法,不同的材料选择和制造程序的变化表明了电池供应链的重组。目前,已经在使用或接近商用的固态锂电池电解质有聚合物、硫化物和氧化物,其中氧化物电解质性能最优。

到目前为止,聚合物、氧化物和硫化物系统之间的竞争还不清楚,电池公司尝试多种方法是很常见的。就目前情况来看,欧洲固态电池发展主要聚焦于聚合物体系,美国倾向于固液混合,亚洲的中日韩主要是氧化物体系。

聚合物体系易于加工,最接近商业化,但相对较高的操作温度、较低的抗氧化电位和较差的稳定性使其存在着极大挑战。据悉,法国Bollore推出了最新的LMP四代聚合物固态电池,循环性能较好,但能量密度仍需提升。装载Blue LMP电池的电动汽车Blue Car最高时速可达130km/h,均速行驶可续航250km。6m长BlueBus可以实现140~180km最大续航,12m长BlueBus最大续航可达到220~280km。

硫化物电解质具有离子电导率高、加工温度低、电化学稳定窗口宽等优点,许多特性使其具有吸引力,被许多人认为是最终的选择。然而,制造的难度和过程中可能产生的有毒副产品使其商业化相对缓慢。目前,丰田与松下合资的公司正在研发硫化物固态电池,虽已推出固态电池原型产品,但真正市场化应用预计要到2025年前后,除了技术还需要不断完善外,成本过高也是一大阻碍。

据丰田称,该固态电池在充电速度方面,电量从0到100%仅需15min;在电池寿命方面,计划使用30年后仍能保持90%以上的性能;在能量密度方面,计划到2025年将固态电池能量密度提升到现有锂离子电池能量密度的2倍以上,预计可达到450Wh/kg。

氧化物电解质比较适合动力电池,如今国内大部分企业选择了金属氧化物动力电池,其制造工艺和性能水平也在稳步提升。氧化物电解质的稳定性好,循环寿命长(可达1000次以上),能量密度较高,倍率性能较好。氧化物电解质(锂镧锆氧)物料价格低廉且电芯容易组装,封装成本低。如果加工成本低于4.4美元/kWh,其电芯成本将低于传统电池。

固态电池加工中没有注液等工艺,加工成本及电池产线投资都低于传统液态锂离子电池。据辉能测算,就目前的技术,当固态电池的产能超过20GWh时,固态电池组装的成本将低于传统电池。目前,科技人员和企业也正在寻找进一步降低固态电池成本的技术和工艺。但较高的界面电阻和较高的加工温度仍是一大挑战,如果能将阻碍氧化物电解质大规模量产的技术难题加以解决,固态电池的量产成本或可与液态电池相媲美。

当前,辉能在台湾设有40MWh的硫化物固态电池中试线产能,产业化时间预计在2021年,其桃园G2线量产后产能将达1~2GWh。辉能与东方蜂巢等共同投资的青山湖科技城项目,将建设2GWh、5GWh固态锂陶瓷电池芯生产线,并将考虑与车企合资建设产线等。

在便利性方面,在快速建设的充电网基础上,固态电解质同样支持快充。锂离子电池充电分为三部分:电量最低时的涓流充电(0.1C最慢),电量中等时的恒流充电(可以快充),电量快满时的恒压充电(较慢)。恒流充电阶段实现快充相对简单,而固态电池在恒流充电阶段做到快充也并不困难。据辉能此前提供的数据,2019年已经实现了5C倍率12min充电91.7%。

在愈加严格的碳排放标准下,中国、美国、日本及欧盟成员国等主要国家和地区都相继出台了各种扶持政策,如燃油车禁售时间表和电动汽车发展目标,以促进电动汽车的技术提升和市场推广。

固态锂电池作为动力电池领域的新技术,不但可以解决电动汽车的安全性问题,也能通过提升续航能力及快充方式等提高便利性,如果能在经济性上与传统锂电池相媲美,电动汽车固态电池时代可能会加速到来。

关键字:固态电池

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