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陶瓷材料又要出风头了?将加推固态电池面向大众?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  多年来,专家们一直将固态电池视为理想的下一代电动汽车电池技术。这种电池采用的是固态电解质,而不是易燃液体电解质,比目前的锂离子电池更加安全。而且,固态电池用锂金属负极取代石墨负极,所以寿命更长,重量更轻,可以达到数倍的能量密度。现在,福特、现代、日产、丰田和大众等公司纷纷投资研究固态电池。

中国粉体网讯  多年来,专家们一直将固态电池视为理想的下一代电动汽车电池技术。这种电池采用的是固态电解质,而不是易燃液体电解质,比目前的锂离子电池更加安全。而且,固态电池用锂金属负极取代石墨负极,所以寿命更长,重量更轻,可以达到数倍的能量密度。现在,福特、现代、日产、丰田和大众等公司纷纷投资研究固态电池。


全球众多企业参与到固态电池开发中


新冠疫情可能破坏了2020年东京奥运会的计划,但丰田的工程师却没有受到影响。丰田公司的电池专家已经按照计划成功制造出固态电池的样品,而且已经安装到概念车上。


丰田汽车动力总成公司执行副总裁兼电池业总经理Keiji Kaita表示:“丰田计划在2025年之前量产固态电池,相比锂离子电池,固态电池能量密度可以提高两倍以上,并且拥有较轻和更安全的特点。”



(图片来源于网络)


丰田还称,相比锂电池,固态电池不易受温度影响,充电效率也更高,从零充满仅需15分钟。电池寿命方面,丰田计划其生产的固态电池在使用30年后仍保持90%以上的性能。不过由于初期成本较高,新电池的价格将高于锂离子电池。


除丰田外,国外企业动作频频,特斯拉、大众、三星、宝马等众多车企和电池企业都已经开启了寻求固态电池技术突破之路。


而在国内,2019年,天际汽车推出了首款搭载固态电池的ME7样车,该样车搭载的是由辉能科技提供的固态电池。


合众公司则与清陶能源达成全面深度合作,共同推进固态电池的研发与应用。


除了辉能与清陶这两大专注固态电池的企业不断吸引眼球之外,比亚迪、国轩高科、宁德时代等锂离子动力电池巨头们也在加速固态电池的研发。


固态电池的技术挑战


固体电解质需要在高压下压实,从而减小颗粒之间的间隙,以便离子和电子可以很容易通过,但是这种电解质还需要具有柔韧性,因为阳极在放电过程中会膨胀和收缩,所以电解质必须留一点空间。


其中的问题在于,膨胀和收缩的空间越大,电解质颗粒变形的可能性就越大。随着时间的推移,这种变形会抑制离子和电子的流动并降低电池的性能。这其中的关键是开发一种不会轻易变形的新材料。


陶瓷材料或许可加推固态电池面向大众


日前,布朗大学的一个研究小组发现了一种方法,可以将用于制造固态锂离子电池的陶瓷材料的韧性提高一倍,该方法有助于将固态电池推向大众市场。


固体陶瓷电解质是不易燃的,有证据表明它们可以防止锂丝的形成,而锂丝可以令电池在更高的电流下工作。然而,陶瓷是高脆性材料,在制造和使用过程中可能会断裂。


在研究中,研究人员制造了氧化石墨烯的微小片晶,将其与一种叫做LATP的陶瓷粉末混合,然后将混合物加热以形成一种陶瓷-石墨烯复合材料。对复合材料的力学测试表明,与单独使用陶瓷相比,复合材料的韧性增加了两倍以上。实验还表明,只要将石墨烯的含量控制在一定范围内,石墨烯不会影响材料的电学性能。


这些结果表明,纳米陶瓷复合材料可以提供一条道路,使力学性能更安全的固体电解质用于日常应用。


另据外媒报道,国外一家公司研发出了坚固、致密的陶瓷电解质。这种电解质只有10微米厚,与目前锂离子电池中使用的塑料隔板厚度相同。并且与当前的液体电解质一样,可以传导锂离子。该公司人员称,它克服了固态电池的两个关键问题:电解质电阻高和载流量低。


而在查尔姆斯理工大学和西安交通大学的研究团队看来,固态电池就像一个干三明治。一层金属锂就像一片面包,一层陶瓷物质就像馅料一样铺在上面。这种坚硬的物质是电池的固体电解质,它在电池的电极之间运输锂离子。但是“三明治”太干了,很难把它们放在一起,而且“面包”和“配料”之间的兼容性也会造成问题。世界各地的许多研究人员正在努力制定适当的解决方案来解决这个问题。


查尔姆斯理工大学和西安交通大学的研究团队正在研究的材料是一种柔软、可涂抹的“黄油状”物质,由陶瓷电解液的LAGP与离子液体混合而成。液体包裹了LAGP颗粒,使中间层柔软且具有保护作用。这种材料的质地与冰箱里的黄油相似,可以满足多种功能,而且很容易涂抹。


同时,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李驰麟团队在陶瓷基固态电池的界面改性及其锂氟转换反应激活方面也取得系列进展。


该团队提出“共晶合金(eutectic alloy)诱导固固对流”模式改性LLZO/Li界面的思路,实现了固固界面在电化学过程中的高度愈合,在此基础上,成功驱动了转换反应型三氟化铁(FeF3)正极在陶瓷基固态电池体系中的高可逆循环,也为陶瓷基锂氟转换固态电池的未来应用提供了可能。


日前,辉能科技大陆区总部及全球产业基地项目在临安签约,将在青山湖科技城建设2GWh(200万千瓦时)、5GWh固态锂陶瓷电池芯产业化项目,将来考虑与车企合资建置整车生产线,总计投资规模将达380亿元,项目全部建成达产后预计将实现年销售产值300亿元以上。


辉能科技新一代固态锂陶瓷电池将传统电池内的电解液以固态锂陶电解质取代,并结合软性电路板制成,制造出超薄、可自由弯曲、不会漏液、无高可燃性物质,在受到穿刺、撞击、切割后仍能安全放电的软性电池。此次辉能科技项目在临安的落地,标志着我国在固态锂电池商业化量产上赢得先机。


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