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有望成为锂电池替代品的固态电池受到广泛重视

2020-05-22 12:59:01 电池世界   浏览次数:35

不久前闭幕的2019上海车展上,固态电池再次成为众所瞩目的一大亮点。期间,天边轿车与辉能科技就固态电池商业化协作在现场签约,这意味着天边轿车将或许成为国内首家产品装载固态电池的新动力整车企业。同时,近来屡次发作的品牌电动轿车电池自燃事件,也让有望成为锂电池替代品的固态电池受到广泛重视。


“固态电池是现在学术界的研讨热点,也是产业界重视的焦点,它的安全性比起同电极系统的液态锂离子电池的安全性有明显进步,但在电动轿车上实践推行运用还需求时刻。”亚洲固态离子学会主席、亚太资料科学院院士、我国科学院能量转换资料要点实验室副主任温兆银在承受《我国轿车报》记者采访时表明。


新动力轿车动力存短板


4月21日晚,上海某小区地下停车库内的一辆特斯拉ModelS电动轿车突然自燃,并点燃停在其旁边的数辆轿车,录像中的事端现场让人触目惊心。距此不到24小时,西安的一辆蔚来ES8电动轿车自燃。4月24日,武汉的一辆比亚迪E5电动轿车也发作自燃。一系列自燃的发作,使人们将引发事端原因大多指向了动力电池


“现阶段新动力乘用车电池的资料系统首要为三元正极-液态电解质-石墨负极,选用磷酸铁锂正极的电池首要用在大巴、物流等专用车范畴,从2018年车用电池数据来看,三元系统电池占比近60%。”复旦大学化学系教授、博士生导师傅正文在承受《我国轿车报》记者采访时介绍,固态电池资猜中没有可燃的液态有机溶液,安全系数相对进步了许多。


据介绍,现在运用最多的高能量密度电池首要是三元锂电池磷酸铁锂电池三元锂电池在200℃左右就会分解,并释放出氧分子,焚烧更加剧烈。尽管现在动力电池在电池模块和系统设计方面,现已采取了先进的电源管理技能、冷却技能、密封技能、散热技能等,根本满意了电动轿车对安全性的要求,但依然存在着热失控、过热、起火焚烧等危险。导致其焚烧的根本原因,是锂离子电池电解质属于可燃的有机溶液。


处理新动力轿车的动力电池续驶路程和安全问题,自然成为重中之重。


而全固态锂电池,是一种运用固体电极资料和固体电解质资料,不含有任何液体的锂电池,首要包含全固态锂离子电池和全固态金属锂电池,不同在于前者负极不含金属锂,后者负极为金属锂。在现在各种新式电池系统中,固态电池选用全新固态电解质替代当前有机电解液和隔阂,具有高安全性、高体积能量密度,同时与不同新式高比能电极系统(如锂硫系统、金属-空气系统等)具有广泛适配性,可进一步进步质量能量密度,在进步安全性的同时增加续驶才能,从而有望成为下一代动力电池的处理方案,因而引起中外众多研讨组织、初创公司和一些车企的青睐,天边轿车便是其中之一。


并且,动力电池是电动轿车最为核心的部件,其功能关于电动轿车的整体功能起着决议性的作用。在电动轿车飞速开展的年代,功能更为强大的电池无疑是各大车企和电池出产厂商永无止境的研制寻求方针。前有国产电动轿车大户比亚迪弃用磷酸铁锂电池,转投三元锂电池怀有,后有沃特玛技能道路过错,公司土崩瓦解,这正是因为磷酸铁锂电池在功能方面无法跟上电动轿车开展的步伐。在电动轿车高续驶路程刚需的推进下,能量密度潜力更高的三元锂电池替代曾经被广泛选用的磷酸铁锂电池成为了电动轿车开展中的必经进程。但是,技能的开展不或许一成不变,随着电动轿车范畴继续性的扩张,以及日趋老练,电动轿车关于电池才能密度的需求也在继续增加,固态电池逐步成为众车企寻求的新方针。


固态电池有明显优势


日前,一条“充电1分钟,续驶800公里”的消息招引了业界的眼球,把人们的视线聚焦到了固态电池上。尽管这条由菲斯克公司所披露的消息依然有许多值得商讨之处,但至少说明固态电池优势明显,有望成为新动力轿车动力电池开展新的方向。


“现在新动力轿车大多运用的都是传统的锂离子电池,都含有液态有机电解质,不含液态电解质的固态电池优势许多。”中南大学化学化工学院教授刘洪涛在承受《我国轿车报》记者采访时介绍,相较于现在运用的液态锂电池,固态电池具有六大明显优势。


一是高安全功能,传统锂离子电池选用有机液体电解液,在过度充电、内部短路等反常的情况下,电池容易发热,形成电解液气胀、自燃乃至爆炸,存在严重的安全隐患。而许多无机固态电解质资料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,聚合物固体电解质比较于含有可燃溶剂的液态电解液,电池安全性也大幅进步。


二是高能量密度,固态锂电池负极可选用金属锂,电池能量密度有望到达300~400Wh/kg乃至更高,其电化学安稳窗口可达5V以上,可匹配高电压电极资料,进一步进步质量能量密度;没有液态电解质和隔阂,减轻电池重量,紧缩电池内部空间,进步体积能量密度;安全性进步,电池外壳及冷却系统模块得到简化,进步系统能量密度。


三是循环寿命长,有望防止液态电解质在充放电过程中继续形成和成长SEI膜的问题和锂枝晶刺穿隔阂问题,大大进步金属锂电池的循环性和运用寿命。


四是作业温度规划宽,固态锂电池针刺和高温安稳性极好,如全部选用无机固体电解质,最高操作温度有望到达300℃,从而防止正负极资料在高温下与电解液反响或许导致的热失控。


五是出产功率进步,无需封装液体,支持串行叠加排列和双极组织,可削减电池组中无效空间,进步出产功率。


六是具备柔性优势,全固态锂电池可以制备成薄膜电池和柔性电池,相关于柔性液态电解质锂电池,封装更为容易、安全,未来可运用于智能穿戴和可植入式医疗设备等。


“理论上具有优势,就必定能招引更多的研制力气和投入,不断处理其中存在的问题,这关于固态电池向新动力轿车运用靠近是有利的;但是固态电池在技能上仍有一些有待处理的问题,这也是固态电池完成运用的瓶颈。”吉林大学无机合成与制备化学国家要点实验室教授、博士生导师袁宏明在承受《我国轿车报》记者采访时表明,处理固态电池的运用技能问题是当务之急。如固体电解质资料离子电导率偏低;固体电解质、电极间界面阻抗大,界面相容性较差;资料在充放电过程中体积膨胀和缩短,导致界面容易别离;质量能量密度需进一步进步;体积能量密度需进一步进步、制备本钱高级技能问题,都迫切需求研讨打破。


记者在采访中了解到,现在全球各大车企和电池厂商们运用的聚合物、氧化物、硫化物等固态电解质均存在这样的问题。具体来说,聚合物耐温性不行,安稳性较差、离子电导性偏低。氧化物抗阻才能比较强,但离子电导性也无法到达要求。硫化物尽管电导性不错,又因为资料安稳性不佳,导致离子传输功能欠缺。


事实上,往往一种全新研制的资料从实验室走向商场运用层面,一般需求十年左右的时刻。而液态锂电池从上世纪70年代呈现,直到20世纪末才投入运用。因而,固态电池技能要完成产业化尚需时日。


“从固态电池的研制和量产现状来看,聚合物基的固态电池现已有小批量装车示范,但属于实验阶段,有待处理的技能问题还不少。达观估计,严格依照车厂车型的开发流程,半固态电池完成批量上车估计还需求必定时刻,真正的全固态电池批量装车时刻则还或许拖延。”傅正文表明。


国际竞争正日趋激烈


“如今,固态电池技能正在成为世界规划内的竞争热点。”刘洪涛介绍,在世界规划内,全球多家车企和电池厂家也发布了固态电池相关的研制开展。现在,丰田、松下、三星、三菱、宝马、大众、现代、戴森等企业均在加紧布局固态电池技能的储藏。


据介绍,为使锂电池具有更高的能量密度和更好的安全性,国外锂离子电池厂商和研讨组织在固态锂电方面开展了很多的研制作业。


日本更是将固态电池研制进步到国家战略高度。2017年5月,日本经济省宣告出资16亿日元,联合丰田、本田、日产、松下、GS汤浅、东丽、旭化成、三井化学、三菱化学等顶级产业链力气,共同研制固态电池,期望以老练的固态电池技能在2030年完成800公里续驶方针。


法国Bollore公司的EV“Bluecar”配备其子公司Batscap出产的30kwh金属锂聚合物电池,选用Li-PEO-LFP资料系统,巴黎轿车共享服务“Autolib”运用了约2900辆Bluecar,这是世界上首次用于电动轿车的商业化全固态电池。丰田开发出全固态锂离子电池,能量密度为400Wh/kg,计划在2020年完成商业化;松下的最新固态电池能量密度相对进步了3~4倍;德国KOLIBRI电池运用于奥迪A1纯电动轿车,现在尚未商业化运用。


韩国也不甘落后,现在,三星SDI、LG化学等都投入到固态电池的研制之中。据外媒报导,三星Note7手机电池起火严重影响了品牌形象,这促进三星加大了固态电池的研制力度。据了解,三星的固态电池或许最初运用于手机上,下一步将开发车用动力固态电池。此外,LG化学也在研讨固态电池,据称技能水平与三星平起平坐。


此外,三菱、宝马、现代、戴森等数家企业也都经过单独研制或组合并购等方法加紧布局固态电池的储藏研制。丰田宣告与松下协作研制固态电池;宝马宣告与SolidPower公司协作研制固态锂电池;博世与日本著名的GSYUASA(汤浅)电池公司及三菱重工共同树立了新工厂,主攻固态阳极锂离子电池;本田与日立造船树立的组织已研制出Ah级电池,估计三年后量产。


我国对固态锂电的根底研讨起步较早。在“六五”和“七五”期间,中科院就将固态锂电和快离子导体列为要点课题,现在5支研制团队别离获得了不同开展。此外,北京大学、我国电子科技集团天津18所等院所也立项进行了固态锂电电解质的研讨。


2017年3月,工信部等四部委印发的《促进轿车动力电池产业开展行动方案》提出,积极推进锂硫电池、金属空气电池、固态电池等新系统电池的研讨和工程化开发,2020年单体电池比能量到达400Wh/kg以上、2025年到达500Wh/kg。


现在,国内固态电池技能的研讨现已获得不小进步。中科院化学所郭玉国团队的聚醚-丙烯酸酯新式双功能聚合物电解质,可用于室温固态金属锂电池;中科院宁波资料所许晓雄团队研制的无机陶瓷固态电池正与赣峰锂业协作尝试产业化;中科院青岛生物动力所崔光磊团队研制的固态电池已用于蛟龙号深潜器,完成了太平洋马里亚纳海沟的测验;中科院上海硅酸盐研讨所郭向欣团队研制出了2Ah级固态锂离子电池;中科院物理所李泓团队推出了10Ah软包电芯固态电池。


近日,我国科学研讨院宣告,由该院牵头承担的纳米先导专项“全固态电池”课题现已经过检验,这一技能进步将进一步推进国内全固态锂电池的规划化运用。此消息一出,再一次将固态电池的重视热度推上“高潮”。


国内在进行固态锂电开发的企业包含CATL、国珈星际(珈伟股份)、江苏清陶动力、台湾辉能、中航锂电等。CATL以硫化物电解质为首要研制方向,选用正极包覆处理正极资料与固态电解质的界面反响问题,现在聚合物锂金属固态电池循环到达300次以上,容量坚持率达82%。清陶动力研制高固含量的全陶瓷隔阂和无机固体电解质,现在已与北汽开展协作进行中试。国珈星际选用资料基因组技能,经过高通量测验技能确定聚合物固态电解质的最佳组成。此外,如赣锋锂业、比亚迪、万向123等也都宣告布局固态电池范畴,但大部分企业仍处于“理论研制”阶段。


此次在上海车展上与天边轿车签约的辉能科技,深耕固态氧化物道路多年,2012年,辉能科技推出了世界上第一款固态锂陶瓷电池,处理了困扰业界已久的固态电池安全和功能两大核心问题。2013年起陆续推出3款固态锂电池产品FLCB、PLCB和BLCB,并依次完成商业化量产。截至2018年11月底,辉能科技现已在全球拥有129件相关专利及83件专利申请,规划包括我国、美国、欧盟、英国、日本和韩国等。


现在固态电池研制技能道路首要有两个方向


一是锂离子电池的固态化,这个方向其他行业有老练的方案,但是嫁接到锂电池还需求二次研制。固态电解质国外量产的企业凤毛麟角,国内一家也没有,必定程度上限制了固态电池的研制进展。日本实验室成功研制出的凝胶态电池,本钱很高无法量产。


二是金属固态电池,最常见的是锂硫电池。当电解质换成固体之后,锂电池系统由电极资料-电解液的固液界面向电极资料-固态电解质的固固界面转化。但对出产的密封性要求很高,给设备企业带来巨大挑战。


技能立异将决胜未来


“固态电池应该是现在看到的最有出路的电池之一,它的明显优势表明了它应该是新动力轿车动力来源的一个有利的竞争者。”袁宏明认为,这将对新动力轿车产业形成更有力的动力,乃至对整个造车生态产生影响。


随着重视度的进步,国内有关科研组织、企业、产业园区都对固态电池青睐有加。湖南宁乡高新区发力打造储能资料之都,估计到2025年,这里将建成总规划10万吨三元前驱体、10万吨正极资料、30GWh动力电池、10亿平方米的电池隔阂资料,总产值1000亿元以上的储能资料产业,固态电池被列为开展要点。


根据我国《轿车产业中长期开展计划》和《节能与新动力轿车技能道路图》的相关指引,动力电池系统的能量密度需求在2025年至2030年到达350Wh/kg以满意市面上乘用电动轿车的续驶路程要求。从现在来看,仅凭仗锂电池的技能研制,这一方针明显无法完成。而因为确保了动力电池的高能量密度和安全性,固态电池给整个新动力轿车行业带来了期望。


傅正文表明,固态电池现阶段技能途径不同,呈现百家争鸣态势,如日本业界的重心放在硫化物基固态电池,国内卫蓝新动力现阶段主推固液混合的半固态电池,复阳固态公司重心在薄膜固态电池,CATL重心为硫化物基固态电池,大部分科研团队和企业都处于根底研讨到中试放大和小批量量产的要害环节,需求经过这几年的技能开展和产业化摸索来验证最合适规划化运用的技能道路。现阶段固态电池企业的应对战略应该是加大投入,增强技能堆集,与产业链上下游企业严密协作。寄期望于固态电池技能早日老练,电动轿车的续驶路程再也不会成为通勤焦虑。


“当务之急,便是加大攻关力度,早日完成要害性技能的打破。”刘洪涛认为,我国的最大竞争对手是日本。日本在硫化物类固态电解质方面的研讨根底雄厚,正全力运用于固态电池的研制。我国着眼于氧化物类固态电解质,并且已投产固态电池出产线。研制方面日本仍处于领先,但产业化方面我国有望赶超。尽管中、日布局的固态电池选用不同的电解质,但谁能率先处理安稳性问题,谁就能迅速占领固态电池的商场。


近年来,新动力轿车在国内蓬勃开展,其中不乏传统车企纷纷抢滩,当然也有很多造车新势力入局。我国轿车工业协会最新的数据显示:一季度我国新动力轿车产销量翻倍,产销别离完成30.4万辆和29.89万辆,比上年同期增长1倍和1.1倍。还有一个现象是,比照传统燃油车2018年超过10%的负增长,眼下几乎所有轿车出产企业均押宝新动力轿车,这同时也带动了产业链上下游的立异动力,估计2019年我国新动力轿车产销量将到达150万辆。电池的安全、续驶才能备受重视。


至于新动力轿车是否能全面转向固态电池,专家们依然以谨慎、科学的眼光看待。“新动力轿车转向固态电池仅仅或许的一个方向,在打破瓶颈之前无从谈起所谓全面转向。”刘洪涛表明。


“现在新动力轿车电池的安全问题备受重视,也成为限制其商场推行的核心问题之一,假如不能处理电池安全问题,新动力轿车就没有未来。由此动身,固态电池被视为现有液态锂电池最有或许的替代者。但是否能够全面转向固态电池,还取决于固态电池自身的技能进步和商场推行。”傅正文认为。


记者观察


固态电池正向咱们走来


近来,因为上海车展的聚焦和部分电动轿车自燃等原因,固态电池正在成为业界重视的热点。


任何事物都有客观的开展规律和开展轨迹,新动力轿车范畴也不例外。在新动力轿车开展方兴未艾之际,电池的续驶才能、安全功能始终是被吐槽最多的问题。在以往的电池原料上,多数新动力轿车都是选用三元锂电池,而这一类电池的短板在于电池能量密度无法到达抱负值,即使能够到达也存在很大的不安稳性。作为新动力轿车来说,电池的好坏便是决议一切的根底,假如电池无法获得打破,关于新动力轿车的开展无疑是一个瓶颈。而固态电池的呈现,为处理这一难题带来了曙光。尽管现在还无法准确猜测将来如何,但固态电池起码是提供了完成重大打破的机会。


正是在这样的背景下,固态电池受到高度重视。固态电池不只具有充电时刻短、续驶路程长的优点,同时因为其电解质的不可燃、不挥发、不漏液等特征,让固态电池的安全性比锂电池要更强大。在制造结构上,固态电池严密、占用空间小、规划灵活性、设计弹性大等特点又可以让电动轿车将更多的空间安顿电子元件用于智能化和完成杰出操控性。可以说,固态电池的呈现为电动轿车未来的开展带来了更多的或许性。


业界更多的言论达观地认为,固态电池替代三元锂电池或许将成为必然的开展趋势,现在看来仅仅一个时刻问题。类似现在电脑范畴机械硬盘和固态硬盘共存,将来新动力轿车的开展趋势,也许会呈现三元锂电池、固态电池乃至还有或许呈现更新式电池共存的局势。总归,开展是硬道理,技能进步永无止境,开展也没有终点,这一点是毋庸置疑的。


当前,在新技能范畴的全球竞争日益激烈,固态电池范畴也是如此。发达经济体在新技能范畴从来不甘落于人后,乃至会用大投入去赢得时刻和领先地位。因而,咱们也不能掉以轻心,主管部门、科研组织、电池企业、轿车企业都应投入更多的力气去进行研制立异,加速技能打破的步伐,凝聚产学研用的才智,力求在这一新技能、新范畴完成领跑。


应该看到,任何事物都是在不断克服缺点和弊端中不断前行。固态电池也是相同,尽管现在在具体技能细节等方面还存在种种缺乏,但既然是一个开展方向,就无妨去努力。的确,在开展过程中,现在三元锂电池现已成为新动力轿车开展的短板,触到了开展的天花板,因而将目光转向固态电池是现在看来的最佳挑选之一。因而,努力也是赢得出路的要害。


总而言之,即使在技能开展中,商场要素依然起着很大的决议作用。当今新动力轿车商场上,寻找更新、更强、更多的新技能“装备”,也许正是新动力轿车的生命力所在。依照现在的开展态势,假如固态电池技能能完成新的打破,也许就能带领新动力轿车走进新的春天。


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