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它来了!车规级固态电池实现大规模量产!

文章来源:PNAS普纳斯能源官网 人气:256 发表时间:2024-01-10 14:38:51
近日,据报道日本大型电池企业Maxell开发出了圆柱形全固态电池,其容量达到200毫安时,是传统的陶瓷封装型(方形)容量的25倍。新电池具有耐热性强、寿命长的特点,而且抗冲击性好,被认为可以当作主电源使用。据说...
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近日,据报道日本大型电池企业Maxell开发出了圆柱形全固态电池,其容量达到200毫安时,是传统的陶瓷封装型(方形)容量的25倍。新电池具有耐热性强、寿命长的特点,而且抗冲击性好,被认为可以当作主电源使用。据说,Maxell的全固态电池已被尼康的工业机械用传感器采用等,订单正在增加。


1月3日美国固态电池QuantumScape公司表示,其固态电池通过了德国大众公司的50万公里耐久性测试。测试数据还显示,配备 QuantumScape电池的电动汽车,WLTP 续航里程为 500-600公里,在电池的全生命周期内,可以行驶超过50万公里,不会有任何续航能力衰退。


尽管从欧洲到日本,都在加速开发全固态电池, 但鉴于技术难题和高昂成本,未来一两年内半固态电池或将成为电池技术创新和应用的重要发展方向。


首先,我们来了解下半固态电池和全固态电池的区别是什么。


半固态电池:相比液态电池,半固态电池减少电解液的用量,增加聚合物+氧化物复合电解质,其中聚合物以框架网络形式填充,氧化物主要以隔膜涂覆+正负极包覆形式添加,此外负极从石墨体系升级到预锂化的硅基负极/锂金属负极,正极从高镍升级到了高镍高电压/富锂锰基等,隔膜仍保留并涂覆固态电解质涂层,锂盐从LiPF6升级为LiTFSI,封装方式主要采用卷绕/叠片+方形/软包的方式,能量密度可达350Wh/kg以上。


全固态电池:相比液态电池,全固态电池取消原有电解液,选用聚合物/氧化物/硫化物体系作为固态电解质,以薄膜的形式分割正负极,从而替代隔膜的作用,其中聚合物性能上限较低,氧化物目前进展较快,硫化物未来潜力最大,负极从石墨体系升级到预锂化的硅基负极/锂金属负极,正极从高镍升级到了超高镍/镍锰酸锂/富锂锰基等,封装方式采用叠片+软包的方式,能量密度可达500Wh/kg。


固态电池界面为固-固接触,离子电导率低、界面稳定性差,存在循环、快充等问题,制约其商业化进程。


材料端离子电导率低:固态电池中,电极与电解质之间的界面接触由固-液接触变为固-固接触,由于固相无润湿性,因此接触面积小,形成更高的界面电阻。同时固体电解质中有大量的晶界存在,且晶界电阻往往高于材料本体电阻,不利于锂离子在正负极之间传输,从而影响快充性能和循环寿命。


循环寿命差:固-固接触为刚性接触,对电极材料体积变化更为敏感,循环过程中容易造成电极颗粒之间以及电极颗粒与电解质接触变差,造成应力堆积,导致电化学性能衰减,甚至导致裂缝的出现,造成容量迅速衰减,导致循环寿命差的问题。


全固态电池界面接触问题较为严重,工艺尚不成熟,生产成本高昂。固态电解质缺乏流动性,导致固-固接触面积小,阻抗增大等问题出现,整体电导率较低,制约固态电池产业化应用。


固态电解质是实现高安全性、能量密度、循环寿命性能的关键。根据电解质的种类,可分为氧化物、硫化物、聚合物三种路线。聚合物体系率先在欧洲商业化,优点为易于加工、生产工艺兼容、界面相容性好、机械性能好,缺点为常温离子电导率低、电化学窗口略窄、热稳定性和能量密度提升有限,因此制约了其大规模应用;氧化物综合性能最好,优点为电化学窗口宽、热稳定性好、机械强度高,缺点为难以加工、界面相容性差、电导率一般。整体看,氧化物体系制备难度适中,较多人和国内企业选取此路线,预计采用与聚合物复合的方式,在半固态电池中率先规模化装车;硫化物发展潜力最大,优点为电导率高、兼具强度与加工性能、界面相容性好,缺点为与正极材料兼容度差、对锂金属稳定性差、对氧气和水分敏感、存在潜在污染问题、生产工艺要求高。硫化物目前处于研发阶段,但后续发展潜力最大,工艺突破后,可能成为未来主流路线。


根据目前来看,固态电池市场上早已有之,但不是应用于汽车动力。如果应用于汽车动力市场的车规级固态电池得到量产,那无疑将开创一个新时代。


海外市场似乎挺乐观,并发力直接开发车规级全固态电池;国内市场则更稳健与实在些,目前半固态电池已量产并应用,下一步就是全固态电池的推出了。


近两年,不少人认为,2030年才能到达固态电池时代。然而,综合目前趋势来看,固态电池时代或将更快到来,各大电池厂商需要早作准备!

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