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[固态铝电解电容电解质]持续1000km以上,不自燃!像膜一样的固态电池要来了?

作者:慕青      发布时间:2021-04-17      浏览量:0
进入2019年,可以说新能源汽车的补助金

进入2019年,可以说新能源汽车的补助金门槛越来越高。这也产生了几何a、AionS等新发售的电动汽车的持续距离上升到500公里,电池的潜力不断提高。

电池的潜力可以提高多少,电池的天花板在哪里,电池技术可以创新,一系列问题可以用一句话回答。三元锂电池是现在,固体电池是未来。

三元锂电池吊顶

目前,在汽车动力电池中,磷酸铁锂电池和三元锂电池是主流,前者安全性高,后者性能优异,以磷酸铁锂电池为基础,目前主要用于公共汽车等商用汽车,三元锂电池主要用于轿车。

三元锂电池是以镍钴要素为正极材料,以锰盐和铝盐稳定化学结构的锂电池,主要有NCM(镍钴锰)和NCA(镍钴铝)两种。

其电池电压高,能量密度基本为240Wh/kg,在同一电池重量下,三元锂的能量密度是磷酸铁锂材料能量密度的1.7倍。

不同配比的三元锂电池能量密度也不同(镍、钴、锰/铝三者的比例)。

在数控电池中,根据镍钴锰的含量,可分为数控111、数控523、数控622和数控811(数字代表镍钴锰的比例)。

根据目前对电池持续距离的要求,高镍NCM811是重点突破方向。随着镍元素含量的提高,三元正极材料的比容量逐渐提高,核心的能量密度也提高。

特斯拉使用的2170,NCA三元锂电池芯的能量密度达到260Wh/kg,是目前批量生产电动汽车中最高的,其镍钴铝的比例为8:1.5:0.5,属于高镍电池。

但也可以预测,三元锂电池的潜力已经逐渐结束,300Wh/kg差距。

新一代电池?固体电池

固体电池的前景很好,但对我们来说还不知道。

传统锂电池是由正极、隔膜、负极、电解液制成的固体锂电池,顾名思义,固体电解质代替隔膜和电解液。

这对于电池的提高有多大,在形象上,使用固体电解质的固体电池与传统锂电池相比,固体硬盘可以提高机械硬盘的性能。

高能密度

固体电解质是制造固体电池的关键,在使用全固体电解质后,锂离子电池的适用材料体系也会发生变化。

其中最重要的是不埋锂的石墨负极,可以直接使用金属锂制作负极,明显减轻负极材料的使用量,金属锂具有3860mmah/g的理论比容量和3.04电视的超负极电力,是高比能源电池的理想负极。三元锂电池的能量密度在300Wh/kg中挣扎时,固体电池的能量密度可以轻松突破400Wh/kg。

为什么现在的锂电池不使用金属锂作为负极呢?

传统锂电池采用金属锂作为负极,金属锂在反复充放电过程中发生粉化、枝形成长等问题,循环性极差,更致命的是锂枝形成长导致电池短路,引起严重的安全事故。

传统锂电池采用低容量,不易使锂离子生根发芽的石墨成为负极。

如果电解液成为固体电解质,金属锂在反复充放电过程中没有成长空间,可以想象问题得到了完美的解决。

从根本上提高能量密度,除了改变负极材料外,正极材料也需要改变。

电解质与电解液相比,电化学窗口更话在更广的电压范围内,电解质不参与化学反应,诚实地通过锂离子。

可以选择容量大的正极材料,也可以选择比能量提高的电压差高的正极材料,提高能量密度。

安全性更有保障

传统锂电池被破坏或隔膜质量差、充电过多等原因,正负极直接接触,短路后能量瞬间释放,瞬间起火。

固体电解质、不可燃、无腐蚀、不挥发、无漏液问题、传统锂面临的各种安全问题、固体锂不存在。

即使固体电池刺入千疮百孔,也能工作。

薄膜柔性

传统锂离子电池需要使用薄膜和电解液,共占电池中约40%的体积和25%的质量。用固体电解质代替的话,正负极之间的距离可以缩短到几十个微米,大幅度降低电池的厚度。

这样制作薄膜电池和柔性电池,将来可以应用于智能服装和植入式医疗设备,为了实现电池的柔性和薄膜化,全固态电池技术是必经之路。

优点行李箱

固体电池的优点可以说是行李箱。首先,其循环寿命更长,固体电解质可以避免液体电解质在充放电过程中不断形成和生长的锂枝晶刺穿隔膜问题,大大提高金属锂电池的循环性和寿命。

电池的回收也很简单,本身没有液体,没有废液,处理也很简单。另外,充电速度也有一定的优点。

什么时候可以批量生产?

固体电池的出现可以说有点霸权,但需要解决的问题还不少。

一是导电率低的问题二是接口阻抗和稳定性问题。

电导率低,即电子通过效率低的接口阻力大,接口分离,正负极和隔膜的连接部有阻力大,接触不良的问题。

解决办法是找到合适的电解质,使锂离子顺利通过,解决接触问题。

目前有三种主流固态电解质、聚合物、氧化物、硫化物。

聚合物电解质

法国Bolloré公司成功开发聚合物电解质,其负极采用金属锂,开始应用于公共汽车和共享汽车。

但缺点也很明显,使用前必须将电池加热到60°C以上,以保持固体电池内的导电能力。

氧化物电解质

氧化物电解质最大的问题是电导率一般比电解液低得多。

这条技术路线代表企业是美国的Sakti3,其试验性产品也是采用的金属锂负极。

目前该公司已被戴森收购,该电池主要适用于电容量要求小、安全性高的消费电子产品。

硫化物电解质

硫化物电解质是大多数亚洲企业选择的渠道,也代表了未来固态锂电的方向。

硫化物的参数相当好,特别是电导率高,接近电解质,接口稳定。

这条技术路线最彻底,典型的是丰田,起步快,专利积累多。

丰田不是全固体锂金属电池,而是固体锂离子电池,几个字的差异很大。

采用石墨类负极、硫化物电解质和高电压正极的组合方式,正负极没有大幅变动,只是将膜和电解液更换为电解质。

上下游产业链可能是未来电池技术的发展方向之一,但只有一个。因为包括燃料电池、超级电容、铝空气电池、镁电池在内理论上都有很大的发展空间,最终还是要看哪些渠道发展的更快、更接地气。

电池要达到商业化,必须在规模和成本方面达到完美的平衡点。使用的材料成本高,不有可能实现大规模应用。

目前液态锂电池的成本约为1200~2000元/千瓦时,如果使用现有技术制造足够为智能手机供电的固态电池,其成本将达到6万元,更不用说为汽车供电的固态电池成本了。

固体电池生产通过上下游产业链,正负极材料供应商需要能量生产新材料,另一方面设备供应商需要同时开发新设备,可以说一步一步地发动全身。

新技术、新产品成本高,生产技术成熟,产量上升,成本自然下降,比亚迪和宁德时代这样巨大的企业需要大量投入。