固态电池技术有望成为未来主力,电量2倍,成本减50%

作者:晓风 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2017-02-20
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电动汽车产业的中长期发展来看,固态电池有望成为下一代车用动力电池的重要技术路线。目前,法国Bolloré、美国Sakti3和日本丰田走在了行业前列,这三家也分别代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固态电解质的典型技术开发方向。

当前,电动汽车的发展引人关注,业界对于新能源汽车的未来前景寄予厚望,作为核心部件的电池更是备受关注,但如何在实现超高能量密度的指标的同时,兼顾动力电池使用时的安全性、寿命、成本,这是所有研发人员都面临的挑战。

近年来,不少科学家认为,对于锂离子电池,用固体电解质代替目前常规的液体电解质具有更显著的优点——电量翻倍,成本降低,更加安全!这就是业界所说的“全固态锂离子电池”,这种固态电池被很多业内人士认为是未来的电动车电池的发展方向。

 

 安全性优势凸显

工作原理上,固态电池和传统的锂电池并无区别。固态电池脱胎于锂离子技术,但比传统锂电池体积小、比能高且寿命长。使用的固态电解质,更为紧凑和稳定,耐高温且不易燃烧。

 传统液态锂电池被科学家们形象地成为“摇椅式电池”,摇椅的两端为电池的正负两极,中间为液态电解质。锂离子像一个运动员,在摇椅两端来回奔跑,锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池的充放电过程就完成了。而固态电池只不过其电解质为固态,具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。

相对而言,固态电池有很多优势,发展前景值得期待。最明显的优势有两个方面——能量密度更高、运行更安全。使用了全固态电解质后,锂离子电池可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以大大减轻负极材料的用量,使得整个电池的能量密度有明显提高。现在许多实验室中,都已经可以小规模批量试制出能量密度为300-400Wh/kg的固态电池。固态电池在大电流下工作不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路,不会在高温下发生副反应,不会因产生气体而发生燃烧,因此,安全性被认为是固态电池发展的最根本驱动力之一。

 

研发进展

从电量和成本来看,固态电池真的是太有吸引力了,不过目前还有很多基础科研问题需要突破,比如电解质和正负极材料的集成、锂离子电导率低、金属锂电极体积变化等多个方面,都面临挑战需要解决。

目前,全球很多国家项目和相关企业都已开始加大投入,力求技术和产业化上早日有所突破。丰田、松下、三星、三菱等电池行业领军企业都已经积极布局固态电池的储备研发。

相对而言,技术成熟度较高、技术沉淀较深的当属法国的Bolloré、美国Sakti3和日本丰田。这三家也分别代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固态电解质的典型技术开发方向。在欧洲比较出名的Bolloré,采用的是PEO类聚合物电解质体系, PEO在高温下离子电导率高。丰田和三星采用的则是硫化物电解质体系。

Sakti3官方层宣布已制造出能量密度达1100瓦时/升的电池,这一能量密度几乎是目前锂离子电池的2倍。而丰田在2010年就曾经推出过续航里程可超过1000km的固态电池。2016年,日本三井金属发布了下一代的锂离子二次电池的“全固态电池”用的硫化物固态电解质,并表示其主要客户为丰田、本田。丰田则计划在2020年全面实现全固态电池商业化,用固态电池取代锂电池,其能量达到锂电池的3~4倍。专家认为:如果电池蓄电量能像Sakti3和丰田提出的那样多,那么电动汽车的购买和使用成本就有可能与普通汽车相同。

2013年,美国橡树岭国家实验室的科学家设计出了一种全新的全固态锂硫电池,其能量密度约为锂离子电池的4倍,且成本更低廉。首先,他们合成出了一种富含硫的新物质,并将其作为电池阴极。然后,再将其同由锂制成的阳极以及固体电解质结合在一起,最后制造出了这种高能量密度全固态电池。测试结果表明,新电池在60摄氏度以及300次充放电后,电容还可以维持在1200毫安小时/克,约为传统锂离子电池的8倍。

 

2016年,美国能源部为汽车技术办公室提供一笔高达1970万美元的财政拨款,用来支持研究和开发先进汽车技术,其中的电池项目的资助都是用于支持类固体电解质的开发等。

2016年,博世宣布开发出一种固态锂离子电池,号称有了它,电动车的续航里程能增加一倍,关键是成本减半,价格更便宜。此前的2015年,博世收购了一家名为“Seeo”的美国电池公司,之后,博世与日本著名的GS YUASA(汤浅)电池公司和三菱重工共同建立了新工厂,主攻固态阳极锂离子电池。博世计划在2020年之前发售一款固态新型电动汽车电池。

近日,宝马汽车对外宣布已在研究这种固态电池,并计划在2026年公布这种突破性的创新车载电池技术,降低重量的同时大幅提高电池性能。宝马表示,这种新型锂电池将采用固态电解质取代液态电解质,能增加15%-20%的电容量。电池组的重量也有望显著降低,同时由于起火风险降低,安全性升级,新电池可以减少外壳保护。宝马电池技术的最新进展将于2018年Mini Cooper E及新一代纯电动X3发布时揭晓。

从全球范围来看,全固态锂电池仍处于实验室阶段。预计固态电池将在2020年到2025年间进入市场,实现小批量的量产,以后随着技术的进步会逐渐进入这个市场。当然它可能会先满足其它领域的应用,等其它指标达标以后,再进入动力电池的领域。

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