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未来5~10年,电池技术将迎来全面革新


来源:中国粉体网   寂静

[导读]  1990年,锂离子电池被索尼公司开发出来,至今已有27个年头。尽管每隔一段时间就会爆出“某某实验室研发出新电池”的消息,但不得不承认,电池技术从未真正革新。那么,电池技术的第一次革新,会出现在什么时候呢?

中国粉体网讯  


液态电池与固态电池


简单来说,固态锂电池是一种使用固态电解质的电池,而液态电池使用的是电解液。




构造


相比液态锂离子电池,固态锂电池构造简单。固态电解质除传导锂离子,也充当了隔膜的角色。因此,在固态锂电池中,电解液、隔膜与粘结剂PVDF等都不需要使用。


工作原理


两者工作原理相同。


充电时,正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌,通过固体电解质向负极迁移,电子通过外电路向负极迁移,两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中。放电过程与充电过程相反,此时电子通过外电路驱动电子器件。


电解质 


液态锂电池的电解质是液态的,而固态锂电池主要采用固态电解质,如聚合物、无机物、复合型电解质等。


正极材料 


目前,液态锂电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料、磷酸铁锂四种。而固态锂电池除传统正极材料外,还能兼容更高电压的氧化物正极、高容量硫化物正极等。


负极材料

 

石墨类碳材料一直处于负极材料的主流地位,除传统石墨负极材料外,固态锂电池还在开发应用其他高性能负极材料,包括金属锂负极,硅基、锡基负极以及氧化物等负极。 


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动力锂电的能量密度极限在280Wh/kg左右,而引入硅基复合材料替代纯石墨作为负极材料,动力锂电的能量密度有望做到300Wh/kg以上,上限约为350Wh/kg。


液态电池仍居稳定地位


整体来说,中国锂离子电池发展形势趋于稳定,产业链也非常完整。但不可否认,液态电池正面临产能过剩的问题。


一方面,原材料涨价(去年锂涨价,今年钨涨价);另一方面,去年电池极度紧缺,在国家强制政策的刺激下才导致过剩的现象。


但过剩有一个好处,因为新能源汽车现在还依赖于补贴,中间过剩的状态会产生长效的竞争,这将有利于行业整顿。 




眼看新能源汽车的口号越喊越响,不少汽车厂商纷纷涉足电动汽车领域。汽车产业本身的要求是安全性、可靠性,虽然液态电池的能量密度和安全性能都比液态电池好些,但未来五到十年内,固态电池(如锂硫电池、锂空气电池时间)还不足够实现商业化。所以,就目前情况来说,液态电池仍处于稳定的地位。



丰田、宝马开始研究固态电池


目前增加电池续航能力的方法有两个:


1.像特斯拉那样将汽车放在电池上,整个地盘都是电池。7000多节锂离子电池带来了400km的续航能力,但复杂的电池管理技术制约了电池组的生产;


2.通过增加电池密度的方法来提高电池容量,这需要使用较薄的隔膜。三星Note7之所以爆炸就是因为没有控制好薄膜的厚度,进而引发了电池的短路。


综合看来, 现有的方法都不是最佳选择,开发新的电池技术就刻不容缓。


据悉,丰田汽车目前正在研发全固态电池提供动力的电动汽车,该电池不仅能提升汽车续航能力,还具备更快的充电速度。当然,目前许多厂商已经开始销售新能源汽车,丰田也不会苦等固态电池。丰田打算先基于C-HR车型打造一款采用锂离子电池的电动汽车,该车将于2019年在中国量产并销售。


  


其实不仅仅是丰田,宝马等知名车企都在全力研发固态电池。从长远来看,5-10年的时间有希望迎来电池技术的全面革新。


固态电池,刻不容缓!


7月27日,英国宣布将于2040年停止销售汽油和柴油汽车,以此来减少空气污染。据悉,不止是英国,挪威、荷兰将于2025年禁止销售燃油车,德国、比利时则分别于2030年和2040废止燃油车。所以,到2050年,整个欧盟国家在路上的跑车大概都是新能源汽车了。


我国又是如何呢?根据我国的发展规划,2020年汽车产销量大概是三千万辆,新能源汽车二百万辆;2025年,汽车产销量大概是3500万辆,新能源汽车生产700万,占20%。


没有对比就没有伤害,看看这差距!


另外,就目前水平来说,液体电解质电池能量密度约为300瓦时每公斤,而且不会超过500瓦时每公斤。2015年,博士公司做了一个预判,能量密度是现有产品的两倍以上,成本更低,一辆用液态电池只行驶100迈,用固体电池后可行驶200迈。



除此之外,锂电安全一直都是行业关心的问题。由于应用端及政策层面对能量密度的要求不断提升,三元电池成为主流技术路线的趋势已不可逆转。但时至今日,困扰三元电池的安全性仍然没有得到很好的解决。  


面对行业发展的痛点,行业专家、企业都在不断寻找新的发展思路,电解液就是其中一个思路。



电池内部构造


众所周知,电解液是锂离子电池不可或缺的重要组成部分,是锂离子电池获得高电压、高循环性能等优点的必备条件。锂离子电池通常采用有机溶剂作为电解液,而这类有机溶剂极易燃烧,电池一旦由于内短路产生高温或者火花,电解液将在瞬间被点燃并导致整个电池发生爆炸。


新的思路是,将易燃的液态电解液变成固态电解质,降低因为易燃而导致的安全风险,同时也能获得更好的性能。随着新能源汽车的发展,高能量密度、高安全性电池成为市场的必争目标。有专家认为,利用固态电解质替代传统电解质是从本质上提升锂电池安全性的必由之路。

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