全固態鋰電池的概念比鋰離子電池出現的更早,鋰離子電池只出現了25年左右,是日本人發明的,真正到車上用就10 多年,很年輕但是進步很快。
全固態鋰電池,這幾個詞每一個字都不能少、不能變。“全固態”跟“固態”是不一樣的,“鋰電池”和“鋰離子電池”不是一個概念。
所謂“全固態鋰電池”是一種在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態、不含任何液態組份的鋰電池,所以全稱是“全固態電解質鋰電池”。
全固態鋰電池又分成全固態鋰一次電池和全固態鋰二次電池,一次電池其實已經有用的。全固態鋰二次電池又分成全固態鋰離子電池和鋰金屬電池, 這兩個概念又要區別,所謂全固態金屬鋰電池,是其負極用的是鋰金屬,現在的負極用的是碳或者硅碳或者鈦酸鋰。
全固態鋰電池的概念比鋰離子電池出現的更早,鋰離子電池 只出現了25 年左右,是日本人發明的,真正到車上用就10 多年, 很年輕但是進步很快。
早期指的全固態鋰電池,都是指金屬鋰為負極的全固態金屬鋰電池,一說全固態往往是以鋰金屬為負極的, 這就是以前的概念。
全固態鋰電池有幾個潛在的技術優勢,一是安全性高,因為它沒有有機溶劑作為電解質引發電解液燃燒問題。
二是能量密度高,需要說明的是,固態電解質的密度和使 用量高于液態電解質,在正負極材料相同的時候,它的優勢是不 明顯的,當然如果有了固態電解質之后就沒有電解液泄漏問題,所以它可以一片片全部疊起來,不像我們非要搞一個軟包包起來,這樣體積比能量就會高。
第三,正極材料選擇的范圍寬,因為負極是鋰金屬,正極不含鋰都可以。還有,電解質的電壓窗口會更 寬, 正極材料選擇范圍也就大,比能量也可以提高;第四,系統 比能量高,由于電解質無流動性,可以方便地通過內串聯組成高 電壓單體,利于電池系統成組效率和能量密度的提高。
但是也存在一些問題。第一個問題是固態電解質材料的離子電導率偏低。現在有三種固態電解質,一種是聚合物,一種是氧化物,一種是硫化物。聚合物電解質這種,其實這個電池已經有了,現在在法國有些車上用,它的問題就是要加熱,電池要加熱到 60 度,離子電導率才上來,電池才能正常工作。
目前氧化物電解質一般比液態的還是要低很多。只有硫化物的固態電解質現在跟液態的差不多,比如豐田就是用的這種硫化物的固態電解質,所以固態電解質是有突破的,主要的突破是在硫化物的固態電解質。
第二個問題就是固/固界面接觸性和穩定性差。液體跟固體結合是很容易的,滲透進去。但是固體和固體接觸性和穩定性就不是太好了,這是它很大的一個問題。硫化物電解質雖然鋰離子導電率已經提高了,但是仍然有界面接觸性和穩定性問題。
第三個問題是金屬鋰的可充性問題。在固態電解質中,鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長問題。其循環性,甚至安全性等還需要研究。
當然還有一個問題,就是制造成本偏高。
基于上述問題,特別是固態界面接觸性/穩定性和金屬鋰的可充性問題,真正意義上的全固態金屬鋰電池技術,現在仍然還是不成熟的,還存在技術不確定性。目前展現出的或者有突破的, 有性能優勢和產業化前景的,主要是固態鋰離子電池。
固態鋰離子電池跟全固態鋰電池有什么區別?固態電池不一定是全都是固態電解質,還有一點液態,是液態跟固態混合的, 看混合的比例是多大。
真正的固態鋰離子電池,其電解質是固態, 但在電芯中有少量的液態電解質;所謂半固態,就是固態電解質、液態電解質各占一半,或者說電芯的一半是固態的、一半是液態的,所以還有準固態的,就是主要為固態、少量是液態。
關于固態鋰電池國內外動態。現在固態鋰電池持續升溫,美國、歐洲、日本、韓國、中國都在投入。各個國家心態不太一樣。例如美國,以小公司、創業型公司為主。美國有兩家公司還是不錯的,都是初創公司,一個是 S-akit3,續駛里程能到 500 公里, 現在還處于初級階段。
還有一個 Solid—State,還有一家公司被寶馬等幾家大公司投資了。因此美國主要是小公司、創業公司干,立足于顛覆性技術。日本基本上是固態鋰離子電池,最著名的豐田,將在 2022 年實現商品化。豐田做的不是全固態鋰金屬電池,而是固態鋰離子電池。
它的負極是石墨類,硫化物電解質, 高電壓正極,單體電池容量 15 安時,電壓是十幾伏的那種,2022 年實現商品化是靠譜的。
所以在日本,并沒有顛覆,還是鋰離子電池,正負極還可以用以前的。韓國也是石墨類負極,并不是金屬鋰負極,跟日本差不多。中、日、韓的情況是類似的,因為我們已經有了很大的鋰離子電池的產業鏈,不希望推倒重來。
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原文標題:【譽辰自動化?技術π】2017動力電池技術復盤(2)
文章出處:【微信號:gh_a6b91417f850,微信公眾號:高工鋰電技術與應用】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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