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固态电池是三元锂电终结者?

 2018-09-29
  
作为电动汽车的“心脏”,动力电池与目前大热的新能源汽车一样备受瞩目。其中,锂离子电池因其具有能量密度高、自放电率低、循环效率高,循环寿命长等特点,颇受新能源汽车产业的青睐,市场发展潜力巨大。但目前的锂离子电池技术尚未成熟,安全性不稳定的问题仍然存在。再加上电池“不定期起火”事故频现,一直刺激着消费者的神经,而发展固态电池技术或将成为破解电动车安全问题的新选择。总的来说,对于固态电池的研究,目前还是偏学术多一些,在产业化方面,因为一些关键技术涉及到各个企业核心技术而无法获取,导致基于工程化应用方面的技术还是

作为电动汽车的“心脏”,动力电池与目前大热的新能源汽车一样备受瞩目。

其中,锂离子电池因其具有能量密度高、自放电率低、循环效率高,循环寿命长等特点,颇受新能源汽车产业的青睐,市场发展潜力巨大。

但目前的锂离子电池技术尚未成熟,安全性不稳定的问题仍然存在。

再加上电池“不定期起火”事故频现,一直刺激着消费者的神经,而发展固态电池技术或将成为破解电动车安全问题的新选择

动力电池

“现在所使用的锂离子电池成本较高,技术也不成熟,所产的锂离子电池存在不少安全隐患。”哈尔滨工业大学教授王振波表示。

据了解,近年来大型动力电池事故频发,很大程度上是由于电池内部使用液态电解质。

“是否安全对锂离子电池储能来说非常关键。”清华大学材料学院副教授李亮亮强调,“目前市场上商用的锂离子电池一般都采用有机液态电液,它的缺点是易燃烧,还可能渗漏液体,造成环境污染。”

锂离子电池

两个月前在韩国灵岩发生的锂离子电池设备起火事件似乎印证了这一说法。

“目前选择使用的液态有机电解液易燃易爆,用固态电解质代替液态电解液,是我们公认可以提升锂电池安全性能最为有效的方法之一。”中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员董衫木表示。

固态电解质不易燃,还不会产生液态电解液,因此不带腐蚀性,是解决电池安全性问题的有效方法,也符合未来电池发展的趋势。

固态电池

高安全性是储能电池应用的基础和前提,固态化是解决二次电池安全性的最佳途径。固态锂电池已进入全球加快布局和研发的阶段,很多著名机构都在开发固态锂电池。

目前,包括德国大众、韩国三星、日本丰田和我国宁德时代在内的众多电池和汽车厂商,都加大了固态电池研发投入,已有部分电池进入装车测试阶段。尽管前景可期,但由于技术和工艺上的种种问题,发展固态电池的道路绝非一帆风顺。

首先,高效的电解质材料体系缺乏。目前固态电池材料发展很快,但综合应用较为欠缺。

作为固态电池的核心材料,目前在固体锂离子导体的单一指标上已有所突破,但综合性能尚不能满足大规模储能需求。现今固态电池采用的固态电解质普遍存在性能短板,距离高性能锂离子电池系统的要求仍有不小的差距。

其次,固态电解质和电极的界面处理也是固态电池目前面临的一大难题。

在固体电解质中锂离子传输阻抗很大,与电极接触的刚性界面接触面积小,在充放电过程中电解质体积的变化容易破坏界面的稳定。

此外,在固态锂电池中,除了电解质和电极之间的界面,电极内部还存在复杂的多级界面,电化学以及形变等因素都会导致接触失效影响电池性能。

第三,长期使用时稳定性不理想也是长寿命储能固态电池发展的瓶颈。

固态电池在服役过程中结构与界面会随时间发生退化,但退化对电池综合性能的影响机制尚不明确,难以实现长效应用。而构建高性能固态电池需要从两方面入手,一是构建高性能的固态电解质,二是提高界面的相容性和稳定性。

固态电池

针对固态电池,我们要从最基础的材料、界面、单体,一直到最终的系统模块进行研究,只有从根本上解决了关键材料和界面问题,才能开展系统的工艺研究,从而满足单电池的性能要求。

而面对发展过程中接连不断的挑战,各种新技术“百家争鸣”,一些固态电池技术有了最新突破。

比如,在固体电解质材料上,业内发现基于石榴石结构的锂镧锆氧(LLZO)固体电解质体系的固态电池具有优异的循环性能和倍率性能,它也因此成为一大技术热点。

LLZO是一种性能优异的填料,能够提高聚合物基复合固态电解质的性能。基于LLZO的固态电池循环1000次后容量仍能保持81%。

董衫木告诉记者了另一种电解质材料思路——“刚柔并济”,使用刚性的聚合物骨架和无机颗粒与柔性的聚合物离子传输材料融合。

“通过聚合物和聚合物之间,以及聚合物和无机颗粒之间的路易斯酸碱相互作用,可为锂离子传输创造新通道,大幅提升电解质的综合性能。”

而界面处理的研究热点主要集中在界面设计及修饰层上,目前凝胶化的界面设计已经取得了较好成果。

通过凝胶态的聚合物对界面进行修饰,增加接触面积的同时还可以缓冲循环过程中的体积效应,在室温下经过300次循环,基本无退化,这样的结构设计较好的改善了电池性能。

固态电池一体化设计

除了固态电解质和界面,固态电池一体化设计也非常重要。因为对储能、新能源汽车等不同领域来说,需要有针对性的进行电池结构设计。

总的来说,对于固态电池的研究,目前还是偏学术多一些,在产业化方面,因为一些关键技术涉及到各个企业核心技术而无法获取,导致基于工程化应用方面的技术还是需要进行进一步探究。

稿件来源:锂电世界  
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