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[固态铝电解电容器的发展]卫青新能源李久铭:固态锂电池的发展现状和应用思考

作者:易秋      发布时间:2021-04-18      浏览量:0
目前固态电池处于前期,前期应从全寿命周期

目前固态电池处于前期,前期应从全寿命周期充分考虑,参考液态电池相关经验,前期推进相关固态电池标准的制定,大家同行群策群力

演讲者:卫青新能源固体核心部负责人李久铭

演讲主题:固体锂电池的发展现状和应用思考

尊敬的专家、领导、同事下午,代表北京卫青新能源参加这次会议非常高兴。我是李久铭,北京卫青新能源负责开发固态锂电池。

首先是固态锂电池的定义,从我们的理解来看,目前法国博洛雷公司除了以磷酸铁锂全固态电池为基础批量生产外,剩下的几乎没有纯固态电池产品。目前,我们还需要明确以下定义。首先是液态锂电池,只含液态电解质的电池。二是混合固液电解质锂电池,三是半固态锂电池,电池中任一侧电极不含液体电解质,另一侧电极含液体电解质,或单体中固态电解质或体积占单体中电解质纵质或总体积比的一半。还有全固态电池,不详细说明。

我们对电池进行了简单的分类,分别细分了液体锂电池、混合固体锂电池固体锂电池。目前,固体锂电池不易燃烧、爆炸,没有泄漏和腐蚀问题,主要是固体电池中电解液的含量少或没有,因此不会在热失控条件下体积膨胀或爆炸。但事实上,目前固体电池的安全仍然需要大量的实际测试数据来支持。二是高温下的腐蚀界面问题,从固态电解质本身的特点来看,固态电池的高温性能应该会更好。第三是原材料纯度的问题,现在是单离子导体,充放电中只有锂离子进行传输和运动。第四,制造成本和工艺复杂性的问题,现在很难说,这与使用的固体电解质材料系统有很大关系。现在大家的想法是尽量与现有的锂设备和锂技术兼容,尽量降低成本。最后是大家最关心的能量密度问题,传统液态电池的能量密度吊顶大概在350Wh/kg左右,那么固态电池能做得更高吗?

液态电池是根据单体封装,外部串联结构设计的,固态电池由于不流动性,可以设计成内部串联结构,在封装过程中有效降低电池体积,提高电池体积能量密度。关于质量能量密度,常用的固体电解质的密度,例如氧化物的LLZO5.07、LATP2.93,只要将液体电解质换成固体电解质,使用LATP能量密度就会下降到232.9Wh/kg,只要直接使用固体电解质的固体电解质的固体电解质的能量密度肯定会更低,固体电解质的不流动性,因此电池中的体积比一般高于液体,所以固体电池的能量密度会进一步下降

首先固体电池可以使用金属锂负极,与传统液体电池相比,使用金属锂电池的能量密度明显提高。因此,结合金属锂,可以轻松突破350Wh/kg的门槛。固态电池在热安全性和热失控性方面表现较好,因此散热系统散热系统的设计。散热系统的比例并不特别大,但这可以从一定程度上提高系统的质量密度。

关于电力密度,固体电池的倍率性能并不特别好,在这方面日本人进行了相关的极限测试,他们可以通过百度的高温实现超高倍率的放电,上午日本专家也说,这并不是充电问题。这个问题是这样理解的。传统的无机固体电解材料是单离子导体,如果能有效地解决固体电池的技术问题,固体电池的充放率理论上可能比传统的液体电解液好。另外,对于传统的液体电池,其能量密度和功率密度之间通常有反比的关系,但在该研究中,固体电池受锂离子扩散极化的影响较小,因此可能同时实现高能量密度和高功率密度的问题。当然,如何将按钮获得的固体电池数据扩大到软包电池,需要进一步研究。

基于上述特点,我们希望固态电池能够解决的问题主要有以下几个方面,如防止SEI膜持续生长,降低热失控风险,这就是传统液态电池目前难以解决的痛点。总而言之,我们希望固态电池能够同时实现高能量和高安全性的电池。

关于固体电池,其核心是固体电解材料,在此列举了常见的6种固体电解材料系统。从性能雷达图可以看出,目前没有完美的材料,有些离子电导率高,有些空气稳定性好,但每个电解材料系统都有难以克服的问题。

根据电解质材料,目前固态电池系统主要分为四种。首先是聚合物电解质系统,有批量生产和运营数据,但主要问题是能量密度不高,需要加热使用。第二固态电池系统,该电池循环非常好,可达数万次,但主要问题是不能容量,通常是毫安时级电池,主要用于穿戴式电子设备。第三种是硫化物固态电池,该电池的突出优点是离子导电率非常高,但空气稳定性非常差,露点必须在负60度以下,工艺条件非常严格。最后是氧化物固体电池,具有很多优点,耐高电压,空气稳定,但氧化物固体电池的接口电阻大,工业化困难也非常大。

从电池材料技术路线的角度来看,负极不含锂,正极必须含锂,负极含锂,正极选择的馀地很多。因此,如果全固态电池与金属锂负极相结合,可以有效扩大正极材料的选择范围。从整个产业链来看,目前我们的考虑是针对不同应用的固态锂电池材料体系应用体系应用体系不同,目前固态电池材料体系和技术流程线路不确定,后端相关模块、智能制造技术尚未确定,产业链目前并不特别完善。

最后是技术挑战分析。首先是固液混合电池,必须明确其中的电解液含量,20%、10%、5%,差异非常大。目前没有标定电解液含量的好方法,我们也想标定电解液含量作为标准提出。对于全固态电池来说,由于固态电解质没有流动性,难点主要在于界面接触都是点与点接触,界面接触是全固态电池的关键问题,里面有很多科技难点,需要综合解决方案。

总结,目前固体电池在固体接口接触、全寿命周期的特性上存在很多问题,这些问题近年来有效解决,希望加快固体电池规模化的应用。

以下是固态电池的应用情况。首先,固态电池具有高能量密度和高安全性,固态电池在特殊领域可能首先应用。第二,在储藏领域,国家对储藏领域的要求是高储藏和高安全。

从整车设计的角度来看,这与传统的液体电池包相比,如果更换为固体电池,能量密度不变,可以明显降低电池包的厚度,降低电池包的厚度,使整车设计的馀量更加丰富。因此,我们的想法是在整车底盘的下部制作固定电池包,基于体积和质量能量密度的提高,制作可交换电的标准固态电池包。

目前固态电池处于前期,前期应从全寿命周期充分考虑,参考液态电池相关经验,在前期制定相关固态电池标准,需要大家的团结力量,共同推进相关工作。

接下来是固态电池产业布局,这里列举了全球正在研发固态电池的企业,粗略来看,欧洲主要是聚合物系统,美国是固液混合,亚洲中日韩主要是氧化物、硫化物系统。这里主要列举了固态电池的相关研究机构和简单的技术指标,这是中国参与的固态电池研究团队,列得不是特别完整,从侧面可以看出,参与机构非常多,说明固态电池在我国的重视程度非常高。接下来介绍中国科学院系统对固体电池的研究。

首先是中国科学院宁波材料许可老师队伍,他们基于硫化物和氧化物电解质材料体系。其次是青岛能源处崔老师的团队,固态电池完成了深海应用示范。这是物理所陈立泉院士团队,2016年陈院士作为技术领导者,成立了我们北京卫青新能源公司,专注于下一代固态锂电池的开发。这是陈老师近几十年参加的国家863等一系列项目,关于固体锂电池的研究状况。

物理利用离子运输数据库,筛选数千种锂含量材料,可以找到新的固体电解材料。举两个例子,首先是高通量计算进行硫化物电解质,探索如何同时提高稳定性和高离子电导率。这是高通量计算设计,预设了氧硫化物、新型电解质材料。

为了实现这些目标,我们主要以五项技术为中心开发,分别是离子导电膜技术、固态电解质技术、复合金属锂技术等技术。首先是固体电解技术,如LATP对正极材料的复盖改性,可以将该技术用于PEO的全固体电池,PEO系统在4.2伏下成功使用稳定的长循环,也可以应用于硫化物电解质系统,有效消除传统的正极材料和硫化物电解质的空间电荷层效应。该膜高温稳定,机械性能好,离子导电率好,结合原位固化技术,有效解决固体电池电解质与正负极正面接触问题。这是由离子导电膜组合而成的混合固液电池,循环超过700次。与液体相比,我们采用的混合固液相关技术高电池的安全性能。之后,结合离子膜技术,进行了初步探索,质量能量密度在500Wh/kg以上。最后,利用原位固化的探索、时间关系,不逐一说明。

最后是产业化的应用,我们将300Wh/kg混合固液电池作为车辆模型,目前电池系统能量密度为208Wh/kg,持续距离在500公里以上,该项目通过中国科学院战略领导科学技术专业项目,获得中国科学院北京分院科学技术成果转换特等奖。我的报告主要是这些,欢迎大家交流!

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