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固态锂电池未来大势所趋

发布者:【浩博电池资讯】   发布时间:2021-11-30 11:11:56   点击量:120



2020年前高镍正极+准固态电解质+硅碳负极完成300Wh/Kg,2025年前富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池完成400Wh/Kg,2030年前燃料/锂硫/空气电池完成500Wh/Kg,核聚变电池是终极动力方式。


1.依据安全和能量密度上的优势,固态电池已成为未来锂电池开展的必经之路。


2.分类:液态/凝胶态只含有液体电解质,半固态(Halfsolid)液体电解质质量百分比<10%,准固态/类固态(Nearlysolid)液体电解质质量百分比<5%,全固态(AllSolid)不含有任何液体电解质。


3.电解质:准固态电池将以聚合物复合电解质为主,薄膜固态电池以氧化物复合电解质为主,全固态电池以硫化物复合电解质为主。


4.工业化:2020年前选用高镍正极+准固态电解质+硅碳负极完成300Wh/Kg,2025年前选用富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池完成400Wh/Kg,2030年前燃料/锂硫/空气电池完成500Wh/Kg


电池开展必经之路


1.九大优势:安全功能双进步


固态电池,是一种使用固体正负极和固体电解质,不含有任何液体,所有资料都由固态资料组成的电池。


◆液态电解质锂离子电池有7大短板


固态电池相比于传统的锂离子电池,完成了安全与功能双进步


1)现在安全性最高


2)能量密度高


一是电压平台进步,负极金属锂,正极高电势资料,电化学窗口5V以上


二是减轻电池分量,电极间距能够缩短到微米级,内部串联后简化电池外壳及冷却系统?椋较低衬芰棵芏


三是资料系统规模大幅进步,关于锂-硫电池,可阻挠多硫化物的迁移,关于锂-空气电池,能够防止氧气迁移至负极侧耗费金属锂负极。


值得特殊说明的是,如果不改变现有正负极系统,单纯把液体电解质更换为固体电解质,是无法从根本上进步能量密度的。


3)循环寿命长


4)作业温度规?


5)薄膜柔性化


6)回收方便


7)可快速充电


液态锂电池于过度快充时会发生「枝晶」,引发电池短路而起火爆炸的风险,理论上固态锂电池则可防止此风险发生,当然现在还仅仅理论。


8)多功能封装


9)出产功率进步


2.电池开展必经之路


依照《我国制作2025》确定的技能目标,2020年锂电池能量密度到300Wh/kg,2025年能量密度到达400Wh/kg,2030年能量密度到达500Wh/kg。


依据高镍三元+硅碳负极资料,现有系统的锂电池的能量密度很难突破300Wh/kg。


鉴于安全和能量密度上的优势,固态电池已成为未来锂电池开展的必经之路。


咱们以为,2020年前高镍正极+准固态电解质+硅碳负极完成300Wh/Kg,2025年前富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池完成400Wh/Kg,2030年前燃料/锂硫/空气电池完成500Wh/Kg,核聚变电池是人类社会终极动力方式。


3.下游使用


依据结构设计的不同,全固态锂电池可分为薄膜型和大容量型。


技能道路:半固态→准固态→全固态


4.技能原理


传统的液态锂电池被人们形象地称为“摇椅式电池”,摇椅的两头为电池的正负南北极,中心为电解质(液态)。而锂离子就像优秀的运动员,在摇椅的两头来回奔驰,在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,完成电池的充放电过程。


固态电池的原理与之相同,只不过其电解质为固态,具有的密度以及结构能够让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,从而进步电池容量。


5.电解质


电解质资料是全固态锂电池技能的核心,电解质资料很大程度上决定了固态锂电池的各项功能参数,如功率密度、循环安稳性、安全功能、高低温功能以及使用寿命,应满意以下要求:


室温电导率>10^(-4)S/cm


电子绝缘(Li+迁移数近似为1)


电化学窗口宽(>5.5Vvs.Li/Li+)


与电极资料相容性好


热安稳性好、耐湿润环境、机械功能优良


原料易得,本钱较低,合成办法简略


现在固体电解质的研讨首要会集在三大类资料:聚合物、氧化物和硫化物。


6.聚合物高温功能好,率先完成商业化


聚合物固态电解质(SPE)由聚合物基体(如聚酯、聚酶和聚胺等)和锂盐(如LiClO4、LiPF6、LiBF4等)构成,锂离子以锂盐的方式「溶于」聚合物基体(「固态溶剂」),传输速率首要受到与基体相互作用及链段活动能力的影响。


在高温条件下,聚合物离子电导率高,简单成膜,最早完成了小规模商业化出产。


现在量产聚合物固态电池中聚合物电解质的资料系统是聚环氧乙烷(PEO),室温电导率一般在10^(-5)S/cm。


PEO的氧化电位在3.8V,钴酸锂、层状氧化物、尖晶石氧化物等高能量密度正极难以与之匹配,需求对其改性;其次,PEO基电解质作业温度在60~85℃,电池系统需求热管理;再次,倍率特性也有待进步。


现在聚合物室温电导率较低以及较低的电压其大规模工业化开展仍有限制。


7.氧化物循环功能良好,适用于薄膜柔性结构


氧化物固体电解质依照物质结构能够分为晶态和非晶态两类,晶态电解质包含钙钛矿型、NASICON型(Na快离子导体)、石榴石型、LISICON型等,玻璃态(非晶态)氧化物的研讨热点是用在薄膜电池中的LiPON型电解质和部分晶化的非晶态资料。


氧化物晶态固体电解质化学安稳性高,部分样品能够在50C下作业,循环45000次后,容量坚持率达95%以上。


氧化物的低室温电导率是首要障碍,现在改善办法首要是元素替换和异价元素掺杂。


LiPON是全固态薄膜电池的标准电解质资料,而且现已得到了商业化使用。


8.硫化物电导率最高,是未来首要方向


硫化物首要包含thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3等,室温离子电导率能够到达10-3~10-2S/cm,挨近甚至超越有机电解液,一起具有热安稳高、安全功能好、电化学安稳窗口宽(达5V以上)的特色,在高功率以及高低温固态电池方面优势杰出。


相关于氧化物,硫化物由于相对较软,更简单加工,经过热压法能够制备全固态锂电池,但还存在空气灵敏,简单氧化,遇水简单发生硫化氢等有害气体的问题。


9.电极资料:固固界面问题


电解质由液态换成固体之后,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,固固之间无润湿性,界面触摸电阻严重影响了离子的传输,造成全固态锂离子电池内阻急剧增大、电池循环功能变差、倍率功能差。


正极资料一般选用复合电极,除了电极活性物质外还包含固态电解质和导电剂,在电极中起到传输离子和电子的作用。


负极资料现在首要会集在金属锂负极资料、碳族负极资料和氧化物负极资料三大类,其中金属锂负极资料因其高容量和低电位的长处成为全固态锂电池最首要的负极资料之一。


10.工艺道路:依据现在电池工艺改善


相对液态电池而言,功能更先进的固态电池结构更简略,核心构件正极、负极、固态电解质。


至于出产本钱,现在远超三元、磷酸铁锂等主流电池,但随着工业化的进程,凭仗结构简略这一天然优势必会使制作本钱低于现在主流电池。


11.技能道路:半固态→准固态→全固态


将已出现的跟固态锂电池相关的概念进行了梳理,并进行总结。


液态/凝胶态锂电池:电芯在制作过程中不含有固体电解质,只含有液体/凝胶电解质的锂电池。


半固态(Halfsolid)锂电池:电芯电解质中,液体电解质质量百分比<10%。


准固态/类固态(Nearlysolid)锂电池:液体电解质质量百分比<5%,液体电解质的质量或体积小于固体电解质的比例。


全固态(AllSolid)锂电池:电芯由固态电极和固态电解质资料构成,不含有任何液体电解质。


总结而言,锂电池依据电解质不同能够分为液态、半固态、准固态、全固态四大类,后三种可统称为固态电池。


12.综上,咱们以为,未来开展方向准固态电池将以聚合物复合电解质为主,薄膜固态电池以氧化物复合电解质为主,全固态电池以硫化物复合电解质为主。


13.专利:日本专利居首,我国SCI文章第一


2017年,关于固态锂电池分别有1198篇文献与117篇专利,其中1096篇文献会集在金属锂负极、固态电解质以及固态电解质与正负极界面等基础问题研讨。


在固体锂电池方面我国发表的文章数量占有第一位,国际发明专利方面日本占有一半以上,其中丰田以26篇占有了第一位。


丰田专利会集在对硫化物系统固态电解质进行研讨,以进步电池的能量密度、电导率、循环寿命、安全功能等功能。


工业化:2020准固态2025全固态


14.固态电池:50年前史,50多家研制团队


现在,全球规模内约有50多家制作企业、草创公司和高?蒲性核铝τ诠烫绯丶寄堋


15.国外三巨子:法国Bollore、美国Sakit3、日本丰田


◆法国Bollore


聚合物固态电解质领域领军企业,全球首个固态电池电动车商业化的公司。


早在2011年10月,Bolloré就开端使用自主开发的电动轿车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”在法国巴黎及其城外提供轿车共享服务“Autolib”,几年来已累计投入了3000辆搭载30kWh的由BatScap制作的固态电池。


正极资料选用LFP和LixV2O8,负极资料选用金属锂,电解质选用聚合物(PEO等)薄膜,但其能量密度仅为100Wh/kg,而且作业温度要求60~80℃,必须持续性将电动车电池加热至60°C以上来坚持电池内部的导电能力。


◆英国戴森+美国Sakit3美国Sakti3是全球氧化物固态电池龙头


2008年,密歇根大学工程学教授玛丽·塞思特里兴办了Sakti3,塞思特里致力于电池技能的研讨已有20年,而且具有70余项专利。


2015年10月,被真空吸尘器创新者戴森以9000万美金的价格全资收购,以解决使用在其爱体育入口中的可充电锂离子电池续航时刻不够长、安全性有限的问题。


Sakti3现在存在的最大问题是其选用薄膜沉淀工艺的制作技能,简而言之便是将薄膜进行一层层的堆积。这就造成其本钱居高不下,且在未来降低本钱的可能性也不算太大。


◆日本38家组织联合研制全固态锂电池,丰田是龙头


2018年4月,日本经济工业省与日本新动力工业技能综合开发组织(NEDO)宣告发动新一代高效电池“全固体电池”核心技能的开发。该项目估计总出资100亿日元(约合5.8亿元人民币),丰田、本田、日产、松下等23家轿车、电池和资料企业,以及京都大学、日本理化学研讨所等15家学术组织将一起参加研讨,计划到2022年全面把握全固态电池相关技能。


◆丰田是现阶段硫化物固态电池龙头


2010年,丰田就推出了硫化物固态电池,2014年有消息称,丰田实验原型固态电池能量密度已达400Wh/kg。


2017年2月,丰田固态电池专利数量已达30件,远超其它企业。


2017年10月,丰田宣告投入200余人加快研制固态电池技能。同年12月,丰田联合松下对外宣告,将联合开发全固态电池。


16.国内五小龙:CATL、江苏清陶、珈伟股份、赣锋锂业、北京卫蓝


◆CATL


CATL以硫化物电解质为首要研制方向,选用正极包覆解决正极资料与固态电解质的界面反响问题,选用热压的方式增强了电解质和电极资料之间的触摸,降低了界面电阻,经过对硫化物进行改性,增强了其热安稳性。


现在容量为325mAh能量密度为300Wh/kg的聚合物锂金属固态电池300周循环以上剩余82%。


◆清陶


清陶开展由清华大学南策文院士团队出资兴办,2002年开端研制固态锂电池;2006年研制的LLTO固态电解质资料展现出了优异的功能;2010年开发的石榴石结构LLZO固态电解质资料工艺老练。


2018年5月展现了行将量产的清陶固态电池高安全性测试视频https://v./page/q#9/q0716iadum9.html


◆珈伟股份


国珈星际是珈伟股份的子公司,技能途径是以第二代聚合物锂离子导体作为固态电解质,以三元资料或磷酸铁锂等作为正极,以石墨作为负极。


2018年7月,36Ah类固态软包三元资料动力锂离子蓄电池经过国家机动车质量监督查验中心强制性查验,能量密度到达了230WH/kg,循环次数达4000次,72v系统可用在电摩上,价格大约1.5元/wh。


◆赣锋锂业+中科院资料所


2017年8月18日,赣锋锂业引入许晓雄博士(科技部新动力全固态锂离子储能电池负责人)等一批中科院的技能团队。


2017年12月5日,赣锋锂业(002460)发布公告,将建立全资子公司浙江锋锂,以自有资金不超越2.5亿元出资建造一条年产亿瓦时级的第一代固态锂电池研制中试出产线,项目建造期2年。


2018年6月30日,第一代固态锂电池技能指标到达:单体容量10Ah,能量密度不低于240Wh/kg,1000次循环后容量坚持率大于90%,电池单体具备5C倍率的充放电能力,一起电池研制品经过第三方组织安全检测。


◆北京卫蓝+中科院物理所


2016年8月,北京卫蓝新动力建立,依托我国科学院物理研讨所,专注于下一代固态锂电池研制与出产。


现在,北京卫蓝现已研制并把握了固态电池技能领域的多项关键性技能,包含金属锂外表处理、原位构成SEI膜技能、固态电解质、锂离子快导体制备技能以及高电压电池集成技能、陶瓷膜优化技能和集流体解决方案。


17.工业化:2020年前完成准固态,2025年前完成全固态


固态电池商业化条件如下:


1)正极资料LFP、NCM、富锂等工业化


2)负极资料硅碳、金属锂工业化


3)固态电解质聚合物、硫化物、氧化物老练


4)界面问题解决

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    能量密度:125-160Wh/kg
    充放电能力:5-10C(20-80%DOD)
    温度范围:-40℃—65℃
    自耗电:≤3%/月

  • 高安全

    过充电、过放电、针刺、 挤压、短路、
    撞击、高温、枪击时电池不燃烧、爆炸。

  • 高可靠

    动力电池循环寿命不低于2000次,
    80%容量保持率;
    电池管理系统可靠、稳定、适应性 强,
    符合国军标要求。