2022年固態(tài)鋰電池能否成為市場主流？

【EV江湖 asiachem】2017年8月,日本日立公司的研究人員宣布,其固態(tài)電池技術(shù)已研發(fā)完成。日立相關(guān)人士透露,目前日立已將固態(tài)電池的樣品送到了航空航天和汽車行業(yè)的潛在客戶。此外,日立正在與一個(gè)未公開的日本電池制造商合作,完善一些細(xì)節(jié)上的問題,并在2020年之前將固態(tài)電池投放市場。

2017年6月,豐田向美國提交的一份編號為20170179545的固態(tài)電池專利申請被公開。亞化咨詢研究表明,該固態(tài)電池由硫化固態(tài)電解質(zhì)和電極活性材料構(gòu)成,其中,電解質(zhì)材料的組成包括鋰、磷、硫、碘等四種元素;正極材料則包含了一種磷酸酯。該磷酸酯在正極材料中的重量占比范圍在1~30%不等。通過在正極材料中添加磷酸酯,該固態(tài)鋰電池的熱穩(wěn)定性得以改善。7月,豐田表示,計(jì)劃于2022年開始銷售由全固態(tài)電池提供動(dòng)力的電動(dòng)車。

固態(tài)鋰電池是一種使用固態(tài)電解質(zhì)的電池。在構(gòu)造上,固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰離子電池簡單。固態(tài)電解質(zhì)除傳導(dǎo)鋰離子,也充當(dāng)了隔膜的角色。因此,在固態(tài)鋰電池中,電解液、隔膜與粘結(jié)劑PVDF等都不需要使用。工作原理上,固態(tài)鋰電池和鋰離子電池相通,充電時(shí),正極中的鋰離子從活性物質(zhì)的晶格中脫嵌,通過固體電解質(zhì)向負(fù)極遷移,電子通過外電路向負(fù)極遷移,兩者在負(fù)極處復(fù)合成鋰原子、合金化或嵌入到負(fù)極材料中。放電過程與充電過程相反,此時(shí)電子通過外電路驅(qū)動(dòng)電子器件。

傳統(tǒng)鋰離子電池與固態(tài)鋰電池示意圖

亞化咨詢《中國鋰離子電池年度報(bào)告2017》顯示,固態(tài)鋰電池在材料上的選擇、研究方向與最新進(jìn)展如下所示:

1)電解質(zhì)

固態(tài)鋰電池主要采用固態(tài)電解質(zhì),如聚合物、無機(jī)物等。目前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在高電導(dǎo)率的復(fù)合型電解質(zhì)等的研發(fā)上。

2016年11月,三井金屬發(fā)布了全固態(tài)電池用的硫化物固態(tài)電解質(zhì)Argyrodite。三井金屬表示,將會(huì)與電池廠商和汽車廠商等合作,到2020年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)的商業(yè)化。

三井金屬Argyrodite硫化物固態(tài)電解質(zhì)

2)正極材料

除傳統(tǒng)正極材料外,固態(tài)鋰電池還能兼容更高電壓的氧化物正極、高容量硫化物正極等。固態(tài)鋰電池正極材料的研究方向集中在降低正極的界面阻抗,提高高倍率放電性能等。

2015年8月,北大新材料學(xué)院首次將高容量硅酸亞鐵鋰(Li2FeSiO4)正極材料應(yīng)用于聚氧乙烯基全固態(tài)電池。該電池在100℃具有優(yōu)越的倍率性能(30C容量有67.5mAh/g)以及較高的比容量發(fā)揮(1C容量有258.2mAh/g)。

3)負(fù)極材料

除傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料外,固態(tài)鋰電池還在開發(fā)應(yīng)用其他高性能負(fù)極材料,包括金屬鋰負(fù)極,硅基、錫基負(fù)極以及氧化物等負(fù)極。

2016年5月,由日本東北大學(xué)原子分子材料科學(xué)高等研究機(jī)構(gòu)和東京大學(xué)的研究所組成的研究小組宣布成功開發(fā)出新型固態(tài)鋰電池的負(fù)極材料穿孔石墨烯分子(CNAP)。該材料電容是石墨的2倍以上,反復(fù)65次充放電后電容仍能保持較高水平。

目前全球多個(gè)國家先后制定了高能量密度鋰電池的研發(fā)目標(biāo)。如日本政府提出,2020年動(dòng)力電池電芯能量密度將達(dá)到250Wh/kg,2030年達(dá)到500Wh/kg;美國先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)提出將2020年電芯能量密度由原來的220Wh/kg提高至350Wh/kg;中國國務(wù)院《中國制造2025》中明確提出,到2020年中國動(dòng)力電池單體比能量要達(dá)到300Wh/kg,2025年達(dá)到400Wh/kg,2030年達(dá)到500Wh/kg。

公開資料顯示,當(dāng)前采用三元正極材料和石墨負(fù)極材料的液態(tài)動(dòng)力鋰電的能量密度極限在280Wh/kg左右,而引入硅基復(fù)合材料替代純石墨作為負(fù)極材料,動(dòng)力鋰電的能量密度有望做到300Wh/kg以上,上限約為350Wh/kg。

亞化咨詢認(rèn)為,上述國家提出的動(dòng)力電池單體比能量的2020年的目標(biāo)是可以通過現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。若想達(dá)成更高能量密度的目標(biāo),固態(tài)鋰電池將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。亞化咨詢《中國鋰離子電池年度報(bào)告2017》顯示,目前固態(tài)鋰電池存在固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極之間界面阻抗過高、固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率偏低、材料制備成本昂貴等難題,使得固態(tài)鋰電池在2022年難以成為市場主流。但是考慮到市場對鋰電池能量密度和安全性能需求的持續(xù)提升,固態(tài)鋰電池的發(fā)展前景值得期待。

(來源:EV江湖 asiachem)

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