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固态电池为何成为”新宠儿”

北极星储能网  来源:粉体网  作者:星屑  2020/11/5 9:14:54  我要投稿  

北极星储能网讯:近年来,伴随着电动汽车的兴起,以及可再生能源发电对大规模储能装置的迫切需求,锂电池的研究再度升温,开发安全、大容量、大功率和长寿命的二次锂电池成为焦点。

在越来越多的储能技术中,电化学储能技术,即电池的使用受到人们越来越多的关注。电池储能具有高效、规模可调的特点,既可整合于电力系统作为能量储存单元,起到对电网削峰填谷的作用,提高电网运行的的可靠性和稳定性,也可用于移动通讯、新能源汽车等领域,为人类生活质量的提高提供源源不断的能量支持。

二次电池的发展经历了从早期的铅酸电池,到后来的镍镉、镍氢电池,再到现在已商用化的二次锂离子电池和用于电网储能的钠-硫电池等。锂电池以锂元素作为能量运输的存储介质,锂元素质量轻和氧化还原电位低的特点,使锂离子电池可获得比其他类型电池更高的输出电压和能量密度。因此,自1991年索尼公司推出第一款商用二次锂离子电池以来,锂电池在全球范围内迅速普及,成为许多便携式电子产品的首选的电源类型。

近年来,伴随着电动汽车的兴起,以及可再生能源发电对大规模储能装置的迫切需求,锂电池的研究再度升温,开发安全、大容量、大功率和长寿命的二次锂电池成为焦点。

车用动力电池,除需要满足长续航里程和大功率充放电的要求外,安全性尤为重要。目前商用的锂离子电池,在短路情况发生时会释放大量热量,会引燃有机电液,产生爆炸隐患,即使是目前被认为最安全的特斯拉汽车,使用了复杂的电池管理系统和防护措施,仍在问世短短的几年内发生多次着火爆炸事故。此外,有机电解液存在的问题包括:

(1)电化学窗口有限,难以兼容金属锂负极和新研发的高电势正极材料;

(2)锂离子并非唯一的载流子,在大电流通过时,电池内阻会因离子浓度梯度的出现而增加(浓差极化),电池性能下降;

(3)工作温度有限,安全工作温度0~40℃;

(4)与负极材料发生反应,生成SEI层,造成2种材料的持续消耗,使电池容量不断下降。

用固态电解质代替液体电解质是获得高能量密度、安全性和长循环寿命的全固态电池的根本途径。全固态电池可以避免液体电解质带来的负效用,提高电池的安全性和服役寿命。因此,今年来固态电池研究成为锂电池的热门方向,那么固态电池的具体优势有哪些呢?

体积小

实际上,体积能量密度对于电池来说是一个很重要的参数,如果就应用领域来说,要求从高到低是消费电子产品 > 家用电动汽车 > 电动公交车。通俗地讲,如果体积能量密度高了,因此相同质量的电池才能做得更小。

用固态电解质代替液态电解质,正负极之间的距离可以缩短到甚至只有几到十几个微米,这样电池的厚度就能大大地降低,因此全固态电池技术是电池小型化、薄膜化的必经之路。

不仅如此,很多经过物理/化学气相沉积(PVD/CVD)制备的全固态电池,其整体厚度可能只有几十个微米,因此就可以制成非常小的电源器件,整合到MEMS(微机电系统)领域中。

能够制成体积非常小的电池也是全固态电池技术的一大特色,这可以方便电池适应各种新型小尺寸智能电子设备的应用,而在这一点上传统的锂离子电池技术是很难达到的。

柔性化的前景

全固态电池可以经过进一步的优化,变成柔性电池,从而带来更多的功能和体验。

实际上,即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米级以下后经常是可以弯曲的,材料会变得有柔性。

相应的,全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有明显的提高,通过使用适当的封装材料(不能是钢性的外壳),制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。

实际上,以各种可穿戴设备为代表的柔性电子器件是下一代电子产品发展的重要方向,而这就要求该产品中的元件同样需要具有柔性,因此柔性全固态电池是科研与工业界中,非常有前景的明日之星。

不仅如此,功能化的全固态电池潜力远不只以上的柔性电池,经过电池材料结构优化可以制成透明电池,或者是拉伸幅度可达300%的可拉伸电池,或是可以和光伏器件集成化的发电-存储一体化器件等等--全固态电池所意味的功能上的创新应用前景还有很多,在这方面科研人员与工程师们的想像力会给我们带来越来越多的惊喜。

更安全

作为一种能量存储器件,实际上所有电池在热力学实质上都不可能是绝对安全的。但是电池实际应用中的决定其真正安全性的因素是多方面的,影响因素包括电池的电极材料特性、电解液的性质,以及电子产品中的电池管理系统等。

目前一般商用的锂离子的安全性是大家关心的重点,在这里用“不够理想”来评价现在电池的安全性,应该是一个比较合适的评价。

能量密度高

使用了全固态电解质后,锂离子电池的适用材料体系也会发生改变,其中核心的一点就是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,这样可以明显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。

此外,许多新型高性能电极材料,可能之前与现有的电解液体系的兼容性并不好,但是在使用全固态电解质后该问题可以得到一定的缓解。

综合考虑到以上两大因素,全固态电池相比于一般锂离子电池,能量密度可以有一个较大幅度的提升: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的全固态电池了(一般锂离子电池是100-220Wh/kg)。

从能量密度的数据上看,或许全固态电池真的有希望让我们的生活从“一天一充”升级到“两天一充”。

未来前景

随着固态电池的前景展现,各国也纷纷加快研发进程,争取早日进入市场。日本的丰田、本田、日产、松下等23家企业合作探寻固态电池相关技术;韩国的三大蓄电池厂商LG化学、三星SDI和SK联手开发核心电池;德国计划拨发10亿欧元用于支持德国的固态电池研究;中国宁德时代、比亚迪、蔚来、辉能、清陶、卫蓝、赣锋等大批科技公司及新材料公司进行固态电池的研发。

固态电池市场这块“大蛋糕”的“蛋糕胚”已经做好了,接下来需要解决的问题还很多,包括固态电池的成本偏高,制备工艺复杂且不成熟,不容易实现大规模商业化,另一方面,固态电池的倍率性能整体偏低,内阻较大,近期内实现快充有难度,所以固态电池还有一段路要走。

参考资料:

任耀宇. 全固态锂电池研究进展.

许晓雄.邱志军. 全固态锂电池技术的研究现状与展望.

电子发烧友. 浅谈全固态锂电池的优势和挑战.


原标题:固态电池为何成为”新宠儿”

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