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固態(tài)電池將會(huì)是三元鋰電的終結(jié)者嗎?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:845次  |  2021年04月08日  

作為電動(dòng)汽車(chē)的心臟,動(dòng)力鋰電池與目前大熱的新能源汽車(chē)相同備受矚目。


其中,鋰離子電池因其具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)效率高,循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),頗受新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的青睞,市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>


但目前的鋰離子電池技術(shù)尚未成熟,安全性不穩(wěn)定的問(wèn)題仍然存在。


再加上電池不定期起火事故頻現(xiàn),一直刺激著消費(fèi)者的神經(jīng),而發(fā)展固態(tài)電池技術(shù)或?qū)⒊蔀槠平怆妱?dòng)汽車(chē)安全問(wèn)題的新選擇。


現(xiàn)在所使用的鋰離子電池成本較高,技術(shù)也不成熟,所產(chǎn)的鋰離子電池存在不少安全隱患。哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王振波表示。

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據(jù)了解,近年來(lái)大型動(dòng)力鋰電池事故頻發(fā),很大程度上是由于電池內(nèi)部使用液態(tài)電解質(zhì)。


是否安全對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。清華大學(xué)材料學(xué)院副教授李亮亮強(qiáng)調(diào),目前市場(chǎng)上商用的鋰離子電池一般都采用有機(jī)液態(tài)電液,它的缺點(diǎn)是易燃燒,還可能滲漏液體,造成環(huán)境污染。


兩個(gè)月前在韓國(guó)靈巖發(fā)生的鋰離子電池設(shè)備起火事件似乎印證了這一說(shuō)法。


目前選擇使用的液態(tài)有機(jī)電解液易燃易爆,用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液,是我們公認(rèn)可以提升鋰離子電池安全性能最為有效的方法之一。我國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所副研究員董衫木表示。


固態(tài)電解質(zhì)不易燃,還不會(huì)出現(xiàn)液態(tài)電解液,因此不帶腐蝕性,是解決電池安全性問(wèn)題的有效方法,也符合未來(lái)電池發(fā)展的趨勢(shì)。

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高安全性是儲(chǔ)能電池應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提,固態(tài)化是解決二次電池安全性的最佳途徑。固態(tài)鋰離子電池已進(jìn)入全球加快布局和研發(fā)的階段,很多著名機(jī)構(gòu)都在開(kāi)發(fā)固態(tài)鋰離子電池。


目前,包括德國(guó)大眾、韓國(guó)三星、日本豐田和我國(guó)寧德時(shí)代在內(nèi)的眾多電池和汽車(chē)廠(chǎng)商,都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入,已有部分電池進(jìn)入裝車(chē)測(cè)試階段。盡管前景可期,但由于技術(shù)和工藝上的種種問(wèn)題,發(fā)展固態(tài)電池的道路絕非一帆風(fēng)順。


首先,高效的電解質(zhì)材料體系缺乏。目前固態(tài)電池材料發(fā)展很快,但綜合應(yīng)用較為欠缺。


作為固態(tài)電池的核心材料,目前在固體鋰離子導(dǎo)體的單一指標(biāo)上已有所突破,但綜合性能尚不能滿(mǎn)足大規(guī)模儲(chǔ)能需求?,F(xiàn)今固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板,距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的差距。


其次,固態(tài)電解質(zhì)和電極的界面處理也是固態(tài)電池目前面對(duì)的一大難題。


在固體電解質(zhì)中鋰離子傳輸阻抗很大,與電極接觸的剛性界面接觸面積小,在充放電過(guò)程中電解質(zhì)體積的變化容易破壞界面的穩(wěn)定。


此外,在固態(tài)鋰離子電池中,除了電解質(zhì)和電極之間的界面,電極內(nèi)部還存在復(fù)雜的多級(jí)界面,電化學(xué)以及形變等因素都會(huì)導(dǎo)致接觸失效影響電池性能。


第三,長(zhǎng)期使用時(shí)穩(wěn)定性不理想也是長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。


固態(tài)電池在服役過(guò)程中結(jié)構(gòu)與界面會(huì)隨時(shí)間發(fā)生退化,但退化對(duì)電池綜合性能的影響機(jī)制尚不明確,難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效應(yīng)用。而構(gòu)建高性能固態(tài)電池要從兩方面入手,一是構(gòu)建高性能的固態(tài)電解質(zhì),二是提高界面的相容性和穩(wěn)定性。


針對(duì)固態(tài)電池,我們要從最基礎(chǔ)的材料、界面、單體,一直到最終的系統(tǒng)模塊進(jìn)行研究,只有從根本上解決了關(guān)鍵材料和界面問(wèn)題,才能開(kāi)展系統(tǒng)的工藝研究,從而滿(mǎn)足單電池的性能要求。


而面對(duì)發(fā)展過(guò)程中接連不斷的挑戰(zhàn),各種新技術(shù)百家爭(zhēng)鳴,一些固態(tài)電池技術(shù)有了最新突破。


比如,在固體電解質(zhì)材料上,業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)基于石榴石結(jié)構(gòu)的鋰鑭鋯氧(LLZO)固體電解質(zhì)體系的固態(tài)電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能,它也因此成為一大技術(shù)熱點(diǎn)。


LLZO是一種性能優(yōu)異的填料,能夠提高聚合物基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的性能?;贚LZO的固態(tài)電池循環(huán)1000次后容量仍能保持81%。


董衫木告訴記者了另一種電解質(zhì)材料思路剛?cè)岵?jì),使用剛性的聚合物骨架和無(wú)機(jī)顆粒與柔性的聚合物離子傳輸材料融合。


通過(guò)聚合物和聚合物之間,以及聚合物和無(wú)機(jī)顆粒之間的路易斯酸堿相互用途,可為鋰離子傳輸創(chuàng)造新通道,大幅提升電解質(zhì)的綜合性能。


而界面處理的研究熱點(diǎn)重要集中在界面設(shè)計(jì)及修飾層上,目前凝膠化的界面設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了較好成果。


通過(guò)凝膠態(tài)的聚合物對(duì)界面進(jìn)行修飾,新增接觸面積的同時(shí)還可以緩沖循環(huán)過(guò)程中的體積效應(yīng),在室溫下經(jīng)過(guò)300次循環(huán),基本無(wú)退化,這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較好的改善了電池性能。


除了固態(tài)電解質(zhì)和界面,固態(tài)電池一體化設(shè)計(jì)也非常重要。因?yàn)閷?duì)儲(chǔ)能、新能源汽車(chē)等不同領(lǐng)域來(lái)說(shuō),要有針對(duì)性的進(jìn)行電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。


總的來(lái)說(shuō),關(guān)于固態(tài)電池的研究,目前還是偏學(xué)術(shù)多一些,在產(chǎn)業(yè)化方面,因?yàn)橐恍╆P(guān)鍵技術(shù)涉及到各個(gè)公司核心技術(shù)而無(wú)法獲取,導(dǎo)致基于工程化應(yīng)用方面的技術(shù)還是要進(jìn)行進(jìn)一步探究。


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