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近日,據報道日本大型電池企業(yè)Maxell開(kāi)發(fā)出了圓柱形全固態(tài)電池,其容量達到200毫安時(shí),是傳統的陶瓷封裝型(方形)容量的25倍。新電池具有耐熱性強、壽命長(cháng)的特點(diǎn),而且抗沖擊性好,被認為可以當作主電源使用。據說(shuō),Maxell的全固態(tài)電池已被尼康的工業(yè)機械用傳感器采用等,訂單正在增加。
1月3日美國固態(tài)電池QuantumScape公司表示,其固態(tài)電池通過(guò)了德國大眾公司的50萬(wàn)公里耐久性測試。測試數據還顯示,配備 QuantumScape電池的電動(dòng)汽車(chē),WLTP 續航里程為 500-600公里,在電池的全生命周期內,可以行駛超過(guò)50萬(wàn)公里,不會(huì )有任何續航能力衰退。
盡管從歐洲到日本,都在加速開(kāi)發(fā)全固態(tài)電池, 但鑒于技術(shù)難題和高昂成本,未來(lái)一兩年內半固態(tài)電池或將成為電池技術(shù)創(chuàng )新和應用的重要發(fā)展方向。
首先,我們來(lái)了解下半固態(tài)電池和全固態(tài)電池的區別是什么。
半固態(tài)電池:相比液態(tài)電池,半固態(tài)電池減少電解液的用量,增加聚合物+氧化物復合電解質(zhì),其中聚合物以框架網(wǎng)絡(luò )形式填充,氧化物主要以隔膜涂覆+正負極包覆形式添加,此外負極從石墨體系升級到預鋰化的硅基負極/鋰金屬負極,正極從高鎳升級到了高鎳高電壓/富鋰錳基等,隔膜仍保留并涂覆固態(tài)電解質(zhì)涂層,鋰鹽從LiPF6升級為L(cháng)iTFSI,封裝方式主要采用卷繞/疊片+方形/軟包的方式,能量密度可達350Wh/kg以上。
全固態(tài)電池:相比液態(tài)電池,全固態(tài)電池取消原有電解液,選用聚合物/氧化物/硫化物體系作為固態(tài)電解質(zhì),以薄膜的形式分割正負極,從而替代隔膜的作用,其中聚合物性能上限較低,氧化物目前進(jìn)展較快,硫化物未來(lái)潛力最大,負極從石墨體系升級到預鋰化的硅基負極/鋰金屬負極,正極從高鎳升級到了超高鎳/鎳錳酸鋰/富鋰錳基等,封裝方式采用疊片+軟包的方式,能量密度可達500Wh/kg。
固態(tài)電池界面為固-固接觸,離子電導率低、界面穩定性差,存在循環(huán)、快充等問(wèn)題,制約其商業(yè)化進(jìn)程。
材料端離子電導率低:固態(tài)電池中,電極與電解質(zhì)之間的界面接觸由固-液接觸變?yōu)楣?固接觸,由于固相無(wú)潤濕性,因此接觸面積小,形成更高的界面電阻。同時(shí)固體電解質(zhì)中有大量的晶界存在,且晶界電阻往往高于材料本體電阻,不利于鋰離子在正負極之間傳輸,從而影響快充性能和循環(huán)壽命。
循環(huán)壽命差:固-固接觸為剛性接觸,對電極材料體積變化更為敏感,循環(huán)過(guò)程中容易造成電極顆粒之間以及電極顆粒與電解質(zhì)接觸變差,造成應力堆積,導致電化學(xué)性能衰減,甚至導致裂縫的出現,造成容量迅速衰減,導致循環(huán)壽命差的問(wèn)題。
全固態(tài)電池界面接觸問(wèn)題較為嚴重,工藝尚不成熟,生產(chǎn)成本高昂。固態(tài)電解質(zhì)缺乏流動(dòng)性,導致固-固接觸面積小,阻抗增大等問(wèn)題出現,整體電導率較低,制約固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化應用。
固態(tài)電解質(zhì)是實(shí)現高安全性、能量密度、循環(huán)壽命性能的關(guān)鍵。根據電解質(zhì)的種類(lèi),可分為氧化物、硫化物、聚合物三種路線(xiàn)。聚合物體系率先在歐洲商業(yè)化,優(yōu)點(diǎn)為易于加工、生產(chǎn)工藝兼容、界面相容性好、機械性能好,缺點(diǎn)為常溫離子電導率低、電化學(xué)窗口略窄、熱穩定性和能量密度提升有限,因此制約了其大規模應用;氧化物綜合性能最好,優(yōu)點(diǎn)為電化學(xué)窗口寬、熱穩定性好、機械強度高,缺點(diǎn)為難以加工、界面相容性差、電導率一般。整體看,氧化物體系制備難度適中,較多人和國內企業(yè)選取此路線(xiàn),預計采用與聚合物復合的方式,在半固態(tài)電池中率先規?;b車(chē);硫化物發(fā)展潛力最大,優(yōu)點(diǎn)為電導率高、兼具強度與加工性能、界面相容性好,缺點(diǎn)為與正極材料兼容度差、對鋰金屬穩定性差、對氧氣和水分敏感、存在潛在污染問(wèn)題、生產(chǎn)工藝要求高。硫化物目前處于研發(fā)階段,但后續發(fā)展潛力最大,工藝突破后,可能成為未來(lái)主流路線(xiàn)。
根據目前來(lái)看,固態(tài)電池市場(chǎng)上早已有之,但不是應用于汽車(chē)動(dòng)力。如果應用于汽車(chē)動(dòng)力市場(chǎng)的車(chē)規級固態(tài)電池得到量產(chǎn),那無(wú)疑將開(kāi)創(chuàng )一個(gè)新時(shí)代。
海外市場(chǎng)似乎挺樂(lè )觀(guān),并發(fā)力直接開(kāi)發(fā)車(chē)規級全固態(tài)電池;國內市場(chǎng)則更穩健與實(shí)在些,目前半固態(tài)電池已量產(chǎn)并應用,下一步就是全固態(tài)電池的推出了。
近兩年,不少人認為,2030年才能到達固態(tài)電池時(shí)代。然而,綜合目前趨勢來(lái)看,固態(tài)電池時(shí)代或將更快到來(lái),各大電池廠(chǎng)商需要早作準備!
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