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大众要自己研发的续航1000公里的固态电池 国内研究进展如何?

北极星储能网  来源:能见Eknower    2017/9/14 9:04:33  我要投稿  

北极星储能网讯:9月11日,德国《汽车周刊》报道,大众公布大规模电动车发展计划《RoadmapE》,到2030年大众全部车型都将有电动版,投资500亿欧到电动车电池,200亿欧到电动车。

整车企业投资电池已经不新鲜,而大众CEO穆伦还表示,他们已经在计划下一代电动车电池,里程超过1000公里的固态电池,并将在2025年量产。

就在今年7月份,丰田在固态电池专利上取得了新的进展,同时宣布要在2022年推出搭载全固态电池的全新电动汽车。我国的动力电池龙头企业宁德时代也已做出表率,在聚合物和硫化物基固态电池方向分别开展了相关的研发工作并取得了初步进展,并在规模化生产上提出了初步的工艺路线。

众多行业专家都对固态电池成为下一代电池技术寄予厚望,陈立泉院士更是表示,“这是我国锂电池惟一的机遇,如果这个机遇错过了的话,下面要研究锂硫电池、锂空电池也就失去机会了”。

固态电池具有兼顾安全性和高能量密度的核心优势。液体电解质电池能量密度最高可至300瓦时每公斤,可满足国家在《促进动力电池产业发展行动方案》提出的目标,但是超过500瓦时每公斤被认为是不可能的。固态电池的安全性表现在可以抑制锂枝晶、不易燃烧、不易爆破、无电解液走漏、不会在高温下发生副反应等。

关于我国的全固态电池研发进展,中国科学院物理研究所李泓研究员在近期的一篇报告中进行了详细的说明。

以下是报告原文:

在液态电解质中,金属锂负极面临的自发化学副反应、锂枝晶生长、不稳定的界面膜、体积变化较大等问题,依然难以同时解决。较多的研究团队提出采用固体电解质全部或部分替代液态电解质,来解决使用或含有金属锂负极的电池面临的主要技术挑战。

日本NEDO早在2008年就制定了研发计划,计划在2030年实现固态电池的量产,包括固态金属锂、固态锂硫和固态锂空气电池。固态电池从电解质形态上分成三类,一个是纯聚合物,比如聚环氧乙烷;一个是无机固体电解质的氧化物或者硫化物;第三个是把聚合物和无机物复合在一起。这三种固体电解质最难解决的问题在于:在锂离子电池或者是将来的金属锂电池中,正极反复体积膨胀收缩后,与固体电解质相的接触会逐渐变差。对于固态电池来说,就是在循环过程中如何一直保持较低的电子和离子阻抗。如果没有更好的办法,这三类电解质中也可以添加少量液体来解决循环过程中电接触恶化的问题,这一类电解质可以称为混合固液电解质,也就是说电芯中同时含有固体电解质和液体电解质。

在固体电解质材料方面,国际上已经开发了很多类,主要包括氧化物、硫化物、氢化物、卤素、磷酸盐薄膜和聚合物。现在主流的电解质材料有三种:

首先是氧化物固体电解质,采用无机陶瓷电解质来替代液体电解质,主要是解决正极侧的填充接触问题,可能需要非常复杂的表面包覆技术。

对于硫化物电解质,其离子电导率非常高,也需要解决正极侧电阻变大的问题,同时解决制备、储存、服役过程中化学稳定性差和产生硫化氢的问题。

对于薄膜电解质,离子电导率虽然很低,但是通过薄膜化降低面电阻,也可以制备使用器件。但是做成大面积叠层的大容量电池还是很有挑战。

目前,已经实现商业化的大容量固态电池主要还是聚合物固态电池,就是聚环氧乙烷基固态电解质,加拿大魁北克水电研究所报道的数据显示,可以使用46微米厚的金属锂,30微米厚聚合物电解质以及30微米厚的磷酸铁锂正极,1/3C下循环1000多次,工作温度在60到85度,电池包需要有加热保温功能。

中国科学院在2013年11月布局了一个战略先导项目,希望能基于纳米技术,研究开发一些能够实际应用的先进材料和电池技术,目标是300Wh/kg,明年6月份所有的材料要进入到量产的阶段。

在固态电池开发方面,5个团队取得了进展。化学所的郭玉国团队开发了聚(醚-丙烯酸酯)的聚合物固体电解质,耐受氧化电压是4.5伏。

宁波材料所的许晓雄团队,开发了氧化物、硫化物固体电解质材料、陶瓷片、全固态电池。还开发了能在室温循环,也能在80℃循环,能量密度在240-280Wh/kg的8-10Ah的混合固液锂离子电池,该电芯通过了汽研中心的第三方安全性测试。

基于刚柔并济的设计思想,青岛生物能源所的崔光磊团队开发了聚丙烯碳酸酯、纤维素、锂镧锆氧复合的固体电解质,研发的电池能量密度达到了300Wh/kg,并首次在马里亚纳海沟完成了深海测试。

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