诺奖化学奖让锂电池走上神坛 大企业已抢占固态锂电池风口!

来源:SMM

随着科学技术的进步,液态锂电池的安全性已经不能很好的满足人们安全使用锂电池的基本要求,而伟大的科学家们在不断的努力和突破中发明了安全性和更高效的固态锂电池,虽然锂电池技术已经很成熟了,但是在固态锂电池技术对于人们来说还是比较新的领域,所以在固态锂电池的研究和未来的应用方面存在着很多问题,虽然存在着不少问题,但是固态锂电池仍将是科学家在锂电池探索上的主要方向。

SMM10月10日讯:10月9日,诺贝尔化学奖授予锂电池的三位发明者,美国科学家约翰·古迪纳夫(John Goodenough),美国科学家斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham)以及日本科学家吉野彰(Akira Yoshino)三人分享该奖项。

现年97岁的古迪纳夫是公认的“锂电池之父”,他的发明使得锂电池体积更小、容积更大、使用方式更稳定,从而实现商业化,同时开启了电子设备便携化进程。

古迪纳夫是著名固体物理学家。97岁高龄的古迪纳夫获奖也刷新了诺贝尔奖的获奖年龄纪录。目前古迪纳夫仍在美国德州大学奥斯汀分校,机械工程系教授,他还是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人,通过研究化学、结构以及固体电子和离子性质之间的关系来设计新材料解决材料科学问题。

英国-美国化学家威廷汉目前是纽约州立大学宾汉姆顿大学的化学教授和材料研究所以及材料科学与工程专业的主任。

日本化学家吉野彰教授是现代锂离子电池(LIB)的发明者,他现在还担任旭化成研究员。

随着科学技术的进步,液态锂电池的安全性已经不能很好的满足人们安全使用锂电池的基本要求,而伟大的科学家们在不断的努力和突破中发明了安全性和更高效的固态锂电池,虽然锂电池技术已经很成熟了,但是在固态锂电池技术对于人们来说还是比较新的领域,所以在固态锂电池的研究和未来的应用方面存在着很多问题,虽然存在着不少问题,但是固态锂电池仍将是科学家在锂电池探索上的主要方向。

选择固态锂电池的原因与技术发展瓶颈

固态锂电池的特性决定了其使用上优于当前广泛使用的液态锂电池。

首先,固态锂电池不燃烧,可以根除安全隐患,固态锂电池是采用固态电解质的锂离子电池,固态电解质不可燃烧,极大提高电池安全性。固态锂电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性,避免了传统锂离子电池中的电解液泄露、电极短路等现象,降低了电池组对于温度的敏感性,根除安全隐患。

其次,固态锂电池兼容高容量正负极与,推动能量密度大飞跃。固态锂电池拥有更宽的电化学窗口,更易搭载高电压正极材料。固态电解质的电化学窗口更宽,可达到 5 V,更加适应于高电压型电极材料。同时,其兼容金属锂负极,提升能量密度上限,锂金属的克容量为 3860mAh/g,约为石墨(372mAh/g)的 10 倍。金属锂是自然界电化学势最低的材料,为-3.04V。让金属锂成为继石墨与硅负极之后的“最终负极”。

最后,固态锂电池拥有轻量化电池系统,固态锂电池电芯内部不含液体,可实现先串并联后 组装,减少了组装壳体用料,PACK 设计大幅简化。在固态锂电池减轻系统重量之后,能量密度也会进一步提升。

同时,固态锂电池也存在不少技术瓶颈,也是其迟迟不能大范围应用的关键。主要是多个电解质性能指标达不到商业化应用的要求。

固体电解质离子电导率低,是阻碍其商业化应用的主要瓶颈之一。离子电导率的高低直接影响了电池的整体阻抗和 倍率性能,聚合物固体电解质的电导率普遍较低。

其次,与有机电解液类似,聚合物电解质也存在双离子(锂盐中的阴离子和阳离子)同时传 导的问题,离子电导率并不全部由锂离子的迁移来贡献。对电池循环和倍率性能起到关键作用的是 锂离子迁移数量的大小。

再次,固体电极与固体电解质界面接触性差,界面阻抗大是制约固态锂电池循环性能的 主要瓶颈之一。目前固体电解质与固体电极之间的固/固界面接触阻抗值是电 解质本体阻抗的 10 倍以上,严重影响离子的传输,导致电池的循环寿命、倍率性能差。

最后,机械性能的测试主要针对无机固体电解质,大部分无机固体电解质属于陶瓷电解 质,机械性能相对较差,较脆易碎。

固态锂电池现状及发展

现阶段固态锂电池量产产品很少,产业化进程仍处于早期。唯一实现动力电池领域量产的 博洛雷公司产品能量密度仅为230Wh/kg,对比传统锂电尚未具备竞争优势。

从海外各家企业实验与中试产品来看,固态锂电池能量密度优势已开始凸显, 明显超过现有锂电水平。在我国,固态锂电的基础研究起步较早,在“六五”和“七五”期间,中科院就将固态锂 电和快离子导体列为重点课题,此外,北京大学、中国电子科技集团天津 18 所等院所也立项进行了固态锂电电解质 的研究,并在此领域取得了不错的进展。未来,随着产业投入逐渐加大,产品性能提升的步伐也望加速。

抢占固态电池风口的大型企业

赣锋锂业:2017 年,赣锋锂业通过引进中科院宁波材料所的许晓雄团队,正式切入到固态锂电池板块。2017 年 12 月,赣锋锂业公告称,拟以不超过 2.5 亿元投资建设第一代固态锂电池研发中试生产线,规模在亿瓦时级以上,6 亿 瓦时的动力电池生产线未来着重跟固态锂电池做匹配。2018 年 7 月 30 日,公司全资子公司浙江锋锂完成了第一代固 态锂电池研发中试线项目的第一期业绩考核指标。

宁德时代:宁德时代主要在聚合物和硫化物基固态锂电池方向分别开展了相关的研发工作,并取得了初步进展,聚合物固态锂金 属电池方面,宁德时代基于对电池的导电、加工性能的改进,设计制作了容量为 325 毫安时的聚合物电芯,循环 300 圈以上,容量保持率达到 82%。硫化物固态锂电池方面,宁德时代通过对钴酸锂正极材料进行表面修饰,包覆改性后, 改善了正极和固态电解质的界面相容性,并开发出混合工艺,提高了硫化物在空气中的稳定性,为电池制造成本降 低提供可能。

珈伟股份:公司加快生产类固态快充电池产品。2016 年 11 月,珈伟股份在沪举办全球首例固态锂电池与快充锂电 池产品发布会,演示了新产品性能。2018 年 4 月,珈伟股份控股子公司珈伟龙能的固态储能科技公司正式投产试运 行。公司产品具备高安全性能,在展示会上被三枚铁钉深深击穿后,仍可正常工作。

 天齐锂业:公司香港全资子公司使用自有资金 1250 万美元参与了对固态锂电池企业 SolidEnergy System 的“C 轮优先 股”融资,投资后持股比例为 11.72%。


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