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固态电池抢位布局加速产业化为时尚早

固态电池抢位布局加速产业化为时尚早

今年尤其是9月以来,国内外发生了多起电动汽车起火事件,进一步引发了社会各界对动力电池安全性的担忧。而进入10月后,固态电池各类消息甚嚣尘上,来势汹汹,似乎产业化即将实现,大有从根本上解决动力电池安全性问题的态势。在笔者看来,固态电池现在仍处于抢位布局阶段,产业化还要克服诸多难题,短时间内还难以大规模应用,尤其是在动力电池领域。

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液态锂离子电池安全问题难以根治

当前,实现产业化的锂离子电池包括全球动力电池基本上都是液态锂离子电池,其结构主要包括了正极材料、负极材料、隔膜和电解液。电解液主要成分为两种:一种是有机溶剂和电解质(锂盐),其中现阶段广泛应用的有机溶剂为碳酸酯系列(包括环状碳酸酯如ECPC,和链状碳酸酯如DMCEMC);另一种是聚合物+有机溶剂+电解质(锂盐),聚合物大多是小分子聚合物。

不管是哪种电解液,都是有机成分,再加上隔膜,液态锂离子电池中易燃物比重较大。

在大电流下工作液态锂离子电池有可能出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致短路破坏;电解液为有机液体,在高温下会加剧发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向。当液态锂离子电池受到剧烈冲击或者电池温度过高的话,电解液极易燃烧,造成电池起火以及更为严重的安全事故。这是液态锂离子电池安全性存在的先天不足,尽管通过电池管理系统(对于动力电池组来说就是电源管理系统)可以管理、监控电池情况,降低事故发生率,但不能从根本上避免。

经过几十年发展,锂离子单体电池(即一颗电芯+电池管理系统组成)以及几个单体电池组(如笔记本电池,一般包括4-6个单体电芯+电源管理系统)安全性基本可以保障,事故率大概在千万分之一甚至更低。但也不能保障不出问题,偶尔可见的手机电池鼓包、爆燃以及笔记本电池召回等报道充分说明了这一点。

而对于动力电池而言,由于使用了大量单体电池,除了单体电芯的安全性之外,单体电芯的一致性成为影响动力电池安全的重大难题。在锂离子电池生产过程中,尽管自动化程度较高,但人工处理环节仍然不少,这一点在我国锂离子电池生产企业更为显著。

这些人工环节不一定会给单体锂离子电池带来安全隐患,但在一定程度上会造成单体锂离子电池出现不一致,从而给动力电池组的电池管理带来不确定性,增加电池管理难度,成为动力锂电的安全埋患。

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全固态锂离子电池被视为理想电源

全固态锂离子电池,顾名思义是使用固体电极和固体电解质的锂离子电池。由于全固态锂离子电池的电极和电解质都由固态物质制成,其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液,同时也克服了锂枝晶现象,即使被加热到非常高的温度,也不会着火,因而安全性更高。

全固态电池未来市场潜力巨大

搭载全固态锂离子电池的汽车,自燃概率会大大降低。可以说,是下一代新能源汽车动力电池的理想对象。固态电解质电池将是下一个风口,是新能源电池未来主要趋势。相较于传统锂电池,固态锂电池的差异在于电解质固态化,理论上存在一定的优势。北京理工大学电动车辆国家工程实验室、中国电工技术学会电动车辆专业委员会委员孙立清表示。

当前,用于固态锂离子电池的固态电解质材料种类主要有聚合物、氧化物和硫化物三大类。相较液态锂离子电池,全固态锂离子电池优势明显:

一是能量密度更高。全固态锂离子电池可以解决许多新型高性能电极材料与现有的电解液体系的兼容性问题,使用金属锂来做负极取代石墨负极,可明显减轻负极材料重量,显著提高电池单体能量密度。在相同能量下,用固态电解质取代电解液和薄膜,全固态锂离子电池更薄且体积更小,这也有助于提高电池单体能量密度。

二是安全性显著提高。全固态锂离子电池以无机固体电解质替代有机电解液,不再需要隔膜,就不存在电池温度升高造成有机物分解燃烧问题,也不会有枝晶刺破隔膜造成短路的现象,从根本上解决了液态锂离子电池的安全问题。

三是大大方便了电动汽车使用。由于全固态锂离子电池中没有电解液,运输、保存将会变得更加容易,在电动汽车等大型设备上使用时,也不需要再额外增加冷却管、电子控件等部件,不仅节约了成本,还能有效减轻电池系统自身重量。

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国内外企业争相布局

日前,由中国科学院宁波材料技术与工程研究所牵头承担的纳米先导专项全固态电池课题日前通过验收,主要开发了一系列高性能固态电解质材料、基于原位固态化的混合固液电解质电芯以及全固态锂电池单体,突破了从材料研发到电池集成的相关技术。

在纳米先导专项全固态电池课题基础上,江西赣锋锂业股份有限公司在宁波投资5亿元人民币,筹建亿瓦时固态动力锂电池生产线,开展第一代产品在新能源汽车用户的和市场投放。

这只是近些年来全固态锂离子电池产业化推进的一个缩影。目前,全球多个国家都在布局全固态电池技术研发,力争在未来锂电池市场竞争中抢得先机其中。越来越多的国内外企业和研究机构将重心集中到了全固态锂离子电池上,也有不少汽车厂商都透露过基于全固态锂离子电池打造电动汽车的计划。

比如,大众曾宣布计划研发续航1000km固态电池;丰田汽车预计2022年完成固态电池的研发工作,并计划于2030年实现量产;日本经济省更是在2017年宣布出资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、三菱化学等国内顶级产业链力量,共同研发固态电池,希望2030年实现800公里续航目标。

三星、苹果、戴森、奔驰等产业巨头也纷纷布局涉足全固态锂离子电池研发;宝马电池合作伙伴同时也是主打全固态锂离子电池的Solid Power近期获得2000万美金融资;今年早些时候Fisker发布了一项全新的固态电池技术,近期又宣称与Caterpillar Ventures正式携手合作,主要将合力研发固态电池。

国内众多科研院所以及骨干企业也在积极布局。中科院上海硅酸盐研究所、中科院大连化学物理研究所、清华大学、中科院物理所、武汉大学、华中科技大学等单位都在加快全固态电池研究,均取得了一定进展。中科院物理所与北京卫蓝新能源科技有限公司合作,在江苏溧阳成立了江苏卫蓝新能源电池有限公司,正在建设电池中试线。

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众多难题尚需克服

然而,全固态锂离子电池想要实现产业化,尚需解决多重难题:一是需要突破高性能固态电解质。电解质材料是全固态锂离子电池技术的核心,其性能决定了电池性能。

目前固态电解质的研究主要集中在三大类材料:聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高温性能好,已经有商业化的应用案例;氧化物循环性能良好,适用于薄膜柔性结构;硫化物电导率最高,是未来主要方向。

但聚合物耐温性不够,稳定性较差、离子电导性偏低。氧化物抗阻能力比价强,但离子电导性也无法达到要求。硫化物虽然电导性不错,又由于材料稳定性不佳,导致离子传输性能欠缺。

整体来看,固态电解质材料研发需要突破以下几点:锂离子导电率要维持在在适当的水平,不能过高,也不能过低;电解质内阻要小;电解质材料稳定性要高;满足高倍率、快充等要求。

二是需要突破全固态电池制造技术。锂离子电池制造是个系统工作,虽然个头不大,但需要解决多方面的问题,包括电池体系设计、正负极材料与固态电解质的界面相容性、长期循环过程中的体积效应、电池稳定性和安全性等。尤其是在电池稳定性和安全性,实验室测试是一方面,真正考验还需要在长期使用过程中,这需要较长周期。

另外,固态电池生产技术不能采用已经十分成熟的液态电池制造技术,需要大家重新摸索,而且还需要实现电池制备效率、电池性能、一致性等要求,难度不小。尽管目前已经固态锂离子电池开始问世,但这些都还是实验室或者中试产品,离产业化还有较大距离。

三是需要突破规模化生产技术。液态锂离子电池能够占据消费电子产品、电动汽车等应用市场的主导地位,除了性能优越之外,成本优势不可或缺,其中规模化生产技术发挥了巨大作用。

液体锂离子电池产业化到现在将近30年,其规模化生产技术已经非常成熟,但成本仍需进一步下降,以满足电动汽车需求。全固态电池要想在市场上站稳脚跟,需要尽快突破规模化生产技术,加快普及速度,显著降低生产成本,下游市场才有可能接受。

综合来看,安全性高、能力密度潜力大的固态电池必然是下一代电池的发展方向,但产业化还为时尚早。国家新能源汽车重点科技专项首席专家欧阳明高院士曾表示,预计全固态锂离子电池会在20252030年之间取得突破。

今年5月,丰田动力总成部门的总经理Shinzuo Abe透露:丰田期望在2020年以后能制造出固态电池,但若要实现固态电池的量产,还需要等到2030年以后

(动力电池网)
 

2018-11-30
 
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