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全固态锂离子电池都有那些优势?未来要面对什么困难?

发布者:【浩博电池资讯】   发布时间:2021-11-24 10:11:39   点击量:51

假如浅显地讲,全固态电池便是里面没有气体、没有液体,一切资料都以固态方式存在的电池。而考虑到现在人们日常日子中最为常见的电池为锂离子电池,咱们在这里将默认把“全固态锂离子电池”当做全固态电池的代表(暂时忽略全固态锂硫等新型电池)。


本文也会着重介绍全固态锂离子电池(以下将全部简称为“全固态电池”)的各方面,以飨读者。


一般来说,锂离子电池主要由正极、负极、隔阂、电解液、结构壳体等部分组成,其间电解液使得电流能够在电池内部以离子方式传导。


电解液技能是锂电池的核心技能之一,也是现在电池工业中利润很高的一个组成部分。


锂离子电池的结构示意图


其间Li+(锂离子)在内电路中,经过电解质(electrolyte)传导


但是许多读者或许发现过自己的锂电池用久后有的会鼓胀,而在更极端的小概率事件下,有的乃至会产生风险(比如近来的扭扭车的电池爆炸事件,导致了相关的出产企业和电池企业遇到了全面的困难)。


另外一般来说,现在的锂离子电池的作业温度规模有限,在40度以上的高温下寿数会急剧缩短,安全功能会也呈现很大的问题(所以特斯拉MODELS会有一套严格的电池温控系统,便是为此)。


实践上,以上所说的几个安全方面的问题都是与咱们现在电池用的有机系统的电解液直接相关的。


而为了处理电池安全问题,进步能量密度,现在科研界和工业界都在研制以及出产全固态电池,也便是把传统的锂离子电池的隔阂和电解液,换成固态的电解质资料。


那么说来说去,相比于咱们日子中最常见的一般锂离子电池,全固态电池的长处主要有哪些呢?首先,咱们要知道——


影响一般锂离电池的安全性的要素主要有哪些?


1)电极资料特性,比如在大电流下作业有或许呈现锂枝晶,从而刺破隔阂导致短路损坏;


2)电解液为有机液体,在高温下产生副反应、氧化分化、产生气体、产生焚烧的倾向都会加剧;


3)电池质量良莠不齐,尤其是小厂家的电池安全功能不达标;


4)电池管理系统不合格,构成电池的过充放,导致风险的产生。


而假如选用了全固态电池技能,以上的1和2两点问题就能够直接得到处理,并且所得的电池的最高作业温度能够从现在的40度提高到更高,这样就能够使电池的适应作业温度区间更宽,运用规模也会更广。


安全性,其实是全固态电池范畴开展的最底子驱动力之一。下面说一下固态电池的优势


固态电池有哪些优势?


优势之一:薄--体积小


实践上,体积能量密度关于电池来说是一个很重要的参数,假如就运用范畴来说,要求从高到低是消费电子产品》家用电动轿车》电动公交车。


假如浅显地讲,便是体积能量密度高了,因而相同质量的电池才能做的体积更小。


电子产品中的可用空间往往很有限,许多产品(例手机、平板电脑)有近1/3左右的体积和质量现已被电池占有,并且在广阔出产厂商和消费者期望对电池进一步进步容量(添加续航)和压缩体积(便携漂亮和便于规划)的要求下,高压实、体积能量密度最高的钴酸锂(LCO)电池依然是见义勇为的干流产品。


传统锂离子电池中,需求运用隔阂和电解液,它们加起来占有了电池中近40%的体积和25%的质量。


而假如把它们用固态电解质取代(主要有有机和无机陶瓷资料两个系统),正负极之间的距离(传统上由隔阂电解液填充,现在由固态电解质填充)能够缩短到乃至只要几到十几个微米,这样电池的厚度就能大大地下降--因而全固态电池技能是电池小型化,薄膜化的必经之路。


不仅如此,许多经过物理/化学气相堆积(PVD/CVD)制备的全固态电池,其全体厚度或许只要几十个微米,因而就能够制成十分小的电源器材,整合到MEMS(微机电系统)范畴中。


能够制成体积十分小的电池也是全固态电池技能的一大特色,这能够便利电池适应各种新型小尺寸智能电子设备的运用,而在这一点上传统的锂离子电池的技能是很难到达的。


现在许多纳米资料实用的一大关键妨碍就在于比表面积大,体积密度过低,导致假如根据这些资料制成产品,往往相同质量下占有体积过大,即体积能量密度偏低,彻底无法满意一般工业品的要求。


所以现在的纳米(电池)资料科研中往往挑选了不报导这方面的参数,原因不难理解。


优势之二:柔性化的远景


全固态电池能够经过进一步的优化,变成柔性电池,从而带来更多的功能和体验。


实践上,即使是脆性的陶瓷资料,在厚度薄到毫米级以下后经常是能够曲折的,资料会变得有柔性。


相应的,全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有显着的进步,经过运用恰当的封装资料(不能是钢性的外壳),制成的电池能够饱尝几百到几千次的曲折而确保功能基本不衰减。


实践上,以各种可穿戴设备为代表的柔性电子器材是下一代电子产品开展的重要方向,而这就要求该产品中的元件相同需求具有柔性,因而柔性全固态电池是科研与工业界中,十分有远景的明日之星。


(韩国KAIST制备的典型叠层结构的柔性全固态电池)


不仅如此,功能化的全固态电池潜力远不只以上的柔性电池,经过电池资料结构优化能够制成通明电池,或者是拉伸起伏可达300%的可拉伸电池,或是能够和光伏器材集成化的发电-存储一体化器材等等--全固态电池所意味的功能上的立异运用远景还有许多,在这方面科研人员与工程师们的想像力会给咱们带来越来越多的惊喜。


(拉伸变形度可达300%全固态电池的结构示意图)


(太阳能电池和超级电容器一体集成纤维状器材示意图)


优势之三:更安全


作为一种能量存储器材,实践上一切电池在热力学实质上都不或许是肯定安全的。


但是电池实践运用中的决定其真正安全性的要素是多方面的,影响要素包含电池的电极资料特性、电解液的性质,以及电子产品中的电池管理系统等。


现在一般商用的锂离子的安全性是大家关怀的重点,在这里用“不够抱负”来点评现在电池的安全性,应该是一个比较合适的点评。


优势之四:轻--能量密度高


运用了全固态电解质后,锂离子电池的适用资料系统也会产生改动,其间核心的一点便是能够不必运用嵌锂的石墨负极,而是直接运用金属锂来做负极,这样能够显着减轻负极资料的用量,使得整个电池的能量密度有显着进步。


此外,许多新型高功能电极资料,或许之前与现有的电解液系统的兼容性并不好,但是在运用全固态电解质后该问题能够得到必定的缓解。


综合考虑到以上两大要素,全固态电池相比于一般锂离子电池,能量密度能够有一个较大起伏的提高:现在许多实验室中,都现已能够小规模批量试制出能量密度为300-400Wh/kg的全固态电池了(一般锂离子电池是100-220Wh/kg)。


从能量密度的数据上看,或许全固态电池真的有期望让咱们的日子从“一天一充”升级到“两天一充”。


许多应战


固态电池开展现在面临着许多应战,由于固态电池的电解质资料均为固体,导电过程是点接触,因而电池制作过程中需处理根据界面阻抗的问题。


此外,因一切电池在充电和放电过程中均会产生体积胀大和收缩,液态电池的忍受度较大,但固态电池有或许会呈现裂开的情况,就现阶段技能水平而言,固态电池的循环设备还有较大的提高空间。


问题之一:本钱依然偏高,制备工艺杂乱,技能不够老练


现在的全固态锂电池的电解质主要有有机和无机两大系统,本钱全体偏高,尤其是无机系统的电池许多选用CVD/PVD等杂乱的工艺制备,出产(堆积薄膜)速度慢,本钱昂贵,单体电池容量很小,往往只适合做小型电子器材用的电池。


(典型的全固态电池,容量只要1.0mAh,只能给小型电子产品供电)


不仅如此,全固态电池现在的制备技能老练度全体一般,能构成规模产能的企业十分有限,技能规模化扩产需求战胜的困难还有许多,仍处于推行开展期。


问题之二:快充不现实


现在全固态电池的倍率功能全体偏低,内阻较大,高倍率放电时压降较大,假如想盼望该类技能能在近期处理电池快充的问题,基本上是不或许的。


现在市面上有些运用全固态电池的产品,实践上都不是在室温下作业的,最典型的比如便是法国现已在运转的3000余辆运用全固态电池的出租车(电芯能量密度能够到达260Wh/kg,优于现在商用的一般锂离子电池)。


问题之三:暂时无法大规模商业化


作为电动轿车电池的资深专家,全电池咨询公司总裁梅纳海姆·安德曼指出:“当时,电动轿车选用的固态电池仍处于研究阶段,现在还无法确认商业化的时间表,由于固态电池不太或许选用锂离子电池所用的各种化学资料,预计其售价将十分高,并且量产难度也很大。”


此外,虽然丰田方面表明,固态电池的充电时间比锂电池缩短一倍,但与此一起,固态电池的功能极易受温度影响。也便是说,固态电池很或许在温度稍高的情况下才能完成真正的快充作用。


因而,不少业内人士也对丰田的计划持怀疑态度,认为丰田量产固态电池组难度不小。


上述这些说法似乎验证了马斯克所言非虚,“固态电池技能并未上路,还处在研制阶段”。不过,虽然现在还无法确认丰田致力于开发的固态电池将走向何方,但假如丰田能真正推动其开展并运用,电动轿车电池职业将迎来颠覆性的革新,就如同当年丰田推出普锐斯,一举占有了混合动力轿车市场的半壁江山一样。


企业的固态电池布局


现在现已有许多start-ups以及传统工业巨头公司投入到了全固态电池职业中。


丰田、松下、三星、三菱以及国内的宁德年代等电池职业领军企业都现已活跃布局固态电池的储备研制。


相对而言,技能老练度较高、技能沉淀较深的当属法国的Bolloré、美国Sakti3和日本丰田。这三家也分别代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固态电解质的典型技能开发方向。


在欧洲比较知名的Bolloré,选用的是聚合物电解质系统,三星选用的则是硫化物电解质系统。英国富豪詹姆斯-戴森(JamesDyson)在2015年公司收买了固态电池企业Sakti3,2016年8月,戴森表明,将出资14亿美元兴修一座电池工厂。德国轿车零部件巨头博世(BOSCH),2015年收买美国电池公司“Seeo”。博世和Seeo然后与日本著名的GSYUASA(汤浅)电池公司和三菱重工一起建立了新工厂,主攻固态阳极锂离子电池。


2016年12月17日,宁德年代研制司理郭永胜在“第七届全球新能源轿车大会(GNEV7)”上介绍了公司固态锂金属电池的研制进程,他表明,宁德年代在做固态电池之前对全球做固态电池的企业做了调研,现在该项目还处于前期阶段。


宁德年代在研制过程中,也在重视固态电池的制作问题,固态电池整个制作工艺跟传统的锂离子的制作工艺不同,需求新的设备,新的工艺,所以宁德年代也一起进行工艺的研制。


全体来说,全固态电池是电池科研与工业界公认的下一步电池开展的干流方向之一现已没有悬念,但是具体到固态电解质的电导率、电池倍率、电池制备功率、本钱操控方面,全固态电池仍然有一段路要走。

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  • 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。