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【固体铝电解电容器优点】全固态电池

作者:初夏      发布时间:2021-04-14      浏览量:0
由于各种原因,我接触全固态电池比较

由于各种原因,我接触全固态电池比较少,所以借用前辈的一些文章给大家展示一下全固态电池的概况和现状。目前,大力发展新能源汽车已经成为各国实现节能减排和气候变化的共识,许多国家已经将新能源汽车的发展提升到国家战略层面。美国、欧洲、日本等国家的各大汽车集团纷纷推出自己的发展计划。特别是2016年以来,各大汽车强国加大了对新能源汽车产业的支持力度。

我们需要一个大的突破。归根结底,我们需要对电池材料体系进行重大改变,最好能带来一个数量级的改变。从第一代镍氢电池和锰酸锂电池,第二代磷酸铁锂电池,到广泛使用的第三代三元电池,其能量密度和成本分别呈现逐步上升和下降的趋势。那么用什么样的电池系统来实现2020年到2025年的电池目标呢?

目前,据高校、R&D企事业单位介绍,全固态锂电池一词广泛出现在大众视野中,这是2020年至2015年新一轮锂电池风暴?他有什么神秘的?今天我带大家初步了解一下全固态锂电池。

1.全固态锂电池概述

传统的锂离子电池使用有机液体电解质。在过充、内部短路等异常情况下,电池容易发热,导致电解液膨胀、分解、自燃甚至爆炸,具有严重的安全隐患。这也是目前三元材料的一个缺点。基于固体电解质的全固态锂电池,采用固体电解质,不含易燃、挥发性成分,完全消除了因电池漏电而产生的冒烟、着火等安全隐患,被称为最安全的电池系统。

关于能量密度,中、美、日三国政府希望在2020年研制出400 ~ 500 Wh/kg的样机,并在2025 ~ 2030年实现量产。从目前材料体系的发展路线来看,最有可能的是使用锂金属阴极。传统的液态锂离子电池存在枝晶、粉化、SEI不稳定和表面多种副反应等技术问题。固体电解质与锂金属的相容性使得锂作为阴极成为可能,从而显著提高能量密度。

从出现的时间点来看,全固态金属锂电池比液态锂离子电池早,但在早期,全固态金属锂电池的电化学性能、安全性和工程制造已经不能满足应用要求。通过不断的改进和全面的技术指标,液态锂离子电池逐渐满足了消费电子市场的应用要求,后来被更多的市场所接受。从技术发展趋势来看,与液态锂离子电池相比,全固态金属锂电池可能具有安全性能好、能量密度高、循环寿命长的优点。

2.全固态锂二次电池的可能优势

全固态锂电池相对于液态锂离子电池的优势包括:

(1)安全性能高

由于液体电解质中含有易燃的有机溶剂,内部短路时温度突然升高,容易引起燃烧甚至爆炸,因此需要安装一种抗温升和短路的安全装置结构,这样会增加成本,但仍然不能完全解决安全问题。号称BMS世界第一的特斯拉,仅在今年就在中国的S型遭遇了严重火灾。

许多无机固体电解质材料不可燃、无腐蚀性、不挥发、无泄漏,也有望克服锂枝晶现象。因此,基于无机固体电解质的全固态锂二次电池有望具有高安全性。聚合物固体电解质仍有一定的可燃风险,但与含有可燃溶剂的液体电解质电池相比,其安全性也大大提高。

(2)高能量密度

目前市场上使用的锂离子电池最大能量密度在300Wh/kg左右。对于全固态锂电池,如果使用金属锂作为负极,电池的能量密度有望达到300-400Wh/kg甚至更高。需要注意的是,由于固体电解质的密度高于液体电解质,所以对于正负极材料相同的系统,液体电解质锂电池的能量密度明显高于全固体锂电池。全固态锂二次电池能量密度高的原因是负极可能由金属锂制成。

(3)长循环寿命

固体电解质有望避免液体电解质充放电过程中固体电解质界面膜不断形成和生长的问题以及锂枝晶刺穿隔膜的问题,可能会大大提高锂金属电池的循环寿命和使用寿命。

(4)工作温度范围宽

如果固态锂电池全部使用无机固体电解质,最高工作温度有望提高到300甚至更高。目前,大容量固态锂电池的低温性能有待提高。特定电池的工作温度范围主要与电解液的高低温特性和界面电阻有关。

(5)宽电化学窗口

全固态锂电池的电化学稳定窗口较宽,可能达到5V,适用于高压电极材料,有利于进一步提高能量密度。目前主流的三元电池在4.2v到4.5v之间.

(6)具有灵活性的优势

全固态锂电池可制成薄膜电池和柔性电池,未来可应用于智能可穿戴和植入式医疗设备。与柔性液体电解质锂电池相比,包装更容易、更安全。

3目前全固态锂二次电池的缺陷及部分解决方案

虽然全固态锂二次电池在许多方面具有明显的优势,但也存在一些亟待解决的问题。为了解决这些问题,工程师们进行了各种尝试,并给出了一些可能的解决方案,如下表所示:

4.核心材料

(1).固体电解质

固体电解质是全固态锂二次电池的核心部件,其发展直接影响全固态锂二次电池的产业化进程。目前,固体电解质的研究主要集中在三种材料上:聚合物、氧化物和硫化物。

氧化物固体电解质按材料结构可分为晶态和非晶态,其中晶态电解质包括钙钛矿型、反钙钛矿型、石榴石型、NASICON型、LISICON型等。非晶氧化物的研究重点是薄膜电池中使用的LiPON型电解质和部件

晶化的非晶态材料。

硫化物固体电解质是由氧化物固体电解质衍生出来的,电解质中的氧化物机体中氧元素被硫元素所取代。由于硫元素的电负性比氧元素要小,对锂离子的束缚要小,有利于得到更多自由移动的锂离子。同时,硫元素的半径比氧元素要大,当硫元素取代氧元素时使晶格结构扩展,形成较大的锂离子通道而提升导电率,室温下可达10-4-10-2S/cm。

(2). 正极材料

(3). 负极材料

全固态锂二次电池的负极材料目前主要集中在金属锂负极材料、碳族负极材料和氧化物负极材料三大类,三大材料各有优缺点,其中金属锂负极材料因其高容量和低电位的优点成为全固态锂电池最主要的负极材料之一。

5 全固态锂二次电池容量划分及对应应用领域与制备工艺

因这块量产的较少,工艺系那个对不成熟,我借鉴了同行的文章描述这个制造工艺。从全固态锂二次电池的形态上可以分成薄膜型和大容量型两大类。各类型全固态锂电池的电芯封装技术大同小异,主要差别在于极片和电解质膜片的制备。

薄膜型全固态锂二次电池在衬底上将电池的各种元素按照正极、电解质、负极的顺序依次制备成薄膜、最后封装成一个电池。在制备过程中需要采用相对应的技术分别制备电池各薄膜层,一般来说负极选择金属锂居多,采用真空热气相沉积(VD)技术制备;电解质和正极包括氧化物的负极可以采用各种溅射技术,如射频溅射(RFS)、射频磁控溅射(RFMS)等,目前也有研究用3D打印技术来制备薄膜。

大容量全固态锂二次电池,由于应用面宽,市场很大,需要能快速、低成本的规模制备,在液态锂离子电池中广泛使用的高速挤压涂布或喷涂技术可以借鉴。基于聚合物固体电解质的大容量全固态锂二次电池制备与现有锂离子电池的卷绕工艺接近。但是,考虑到目前无机固体电解质膜的柔韧性不佳,在制备全固态锂二次电池时更多的采用叠片工艺,至于具体是分别制备电解质与正负极膜片后叠合,还是采用双层或多层一次涂布制备电解质和正极的复合层,更适合规模化生产的技术路线还有待进一步的研究。

全固态锂二次电池的生产设备虽然与传统锂离子电池电芯生产设备有较大差别,但从客观上看也不存在革命性的创新,可能80%的设备可以延续锂离子电池的生产设备,只是在生产环境上有了更高的要求,需要在更高级别的干燥间(全线露点-40℃以下)内进行生产,这对于具备超级电容器、锂离子电容器、镍钴铝、预锂化、钛酸锂等空气敏感储能器件或材料的企业来说,制造环境可以兼容,但相应的生产环境成本显著提高。

就制备工艺而言,鉴于当前固态电解质膜的柔韧性不佳,固态电芯组装更多偏向叠片而非卷绕工艺,但细分工艺尚不可知;就制造装备而言,尽管固态电池与传统锂离子电池存在较大差异,但不存在根本性区别,只是在涂布、封装等工序上需要定制化的设备,而且制造环境需在更高要求的干燥间进行。

6. 全固态锂二次电池的展望

目前新能源汽车的发展已经明确上升到国家战略层面,其中动力电池是新能源汽车最关键的核心部件,其关键程度可见一斑。按照我国《节能与新能源汽车技术路线图》,2020年的纯电动汽车动力电池的能量密度目标为300Wh/kg,2025年目标为400Wh/kg,2030年目标为500Wh/kg。公开资料显示,当前采用三元正极材料和石墨负极材料的液态电解质动力锂离子电池的能量密度极限在250Wh/kg左右,而引入硅基复合材料替代纯石墨作为负极材料,液态电解质动力锂离子电池电芯的能量密度可以达到300Wh/kg,上限约为350Wh/kg(已经在特斯拉Model 3上使用的松下21700电池,正极采用NCA三元材料,负极采用硅基复合材料,能量密度已超过300Wh/kg),国内部分公司已推出300WH/kg样品电芯。

目前,在界面电阻降低,金属锂高容量、高倍率和低体积变化的解决方案,以及兼具离子电导和机械特性的固态电解质膜的成熟制备技术等方面尚缺乏有效的解决方案。