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固态锂电池研发布局和产业化现状

王明 2018-10-25 2446 263

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剖析产业发展现状

为区域/园区工作者洞悉行业发展

固态锂电池因为其能量密度高、安全性能好、工作温度范围广和循环寿命长成为电池行业的聚焦热点。近些年来,越来越多的国内外企业和科研院所将研发重心转移到了固态锂电池上。

       曾经轰动一时的三星Note7爆炸事件,引起了人们对锂电池质量安全的极大关注。锂电池电解液不可避免地会因为手机固件过热而蒸发膨胀,最终导致爆炸事故。固态锂电池因为其能量密度高、安全性能好、工作温度范围广和循环寿命长成为电池行业的聚焦热点。近些年来,越来越多的国内外企业和科研院所将研发重心转移到了固态锂电池上。本文将对国内外固态锂电池的研发布局和产业化现状做梳理和总结。

国外固态锂电池研发与产业化现状

国际上,美国、日本、韩国和欧洲很早就开展了固态电池的相关研发工作。2017年,全球范围有1198篇文献和117个专利的主题是固态锂电池。其中,涉及金属锂负极、固态电解质以及电解质和电极界面问题的研究文献有1096篇,涉及固态锂电池的组装和检测的文献有102篇。中国发表的相关文献数量占据第一位,日本占据国际发明专利数量的一半以上。世界上主要开发固态锂电池的公司见图1。

 

1 世界上主要开发固态锂电池的公司

       和锂电池最初的发展历程一样,日本在固态锂电池方面的研究也走在世界的前列。从1980年开始,东京工业大学R.Kanno小组坚持开发锂离子固态电解质,到2011年,发现了环境温度25℃(室温条件)离子电导率为12mS/cm的Li10GeP2S12基本上相当于现有的液态电解质电导率。2016年,该小组又发现了室温条件下,离子电导率达到25mS/cm的电解质Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3

      上世纪70年代,法国Araoand教授开始研究聚合物电解质。并且后来已经完成了技术产业化,法国博洛雷公司(Bollore)的子公司BatScap成功生产了聚合物电解质固态锂电池,并且批量应用于电动汽车(EV“Bluecar”),同时,它还采用了磷酸铁锂材料作为正极,金属锂材料作为负极,这是世界上第一个采用固态锂电池的电动汽车案例。目前巴黎汽车共享服务项目共投放了大约2900辆Bluecar,但是需要温控系统将电池加热到60℃以上来保持固态电解质的离子电导率正常运作。

专注于固态聚合物电解质的美国SEEO公司是劳伦斯伯克利国家实验室唯一授权拥有核心专利的电池公司,2015年被德国博世全资收购。当时,已生产出能量密度为350wh/kg的固态锂电池,远远高于同体积的液态锂电池。除了科研单位,领先的电池企业如索尼、松下、LG化学、三星、CATL、丰田、博世、大众等,开始布局新的固态电池的研发。

国内固态锂电池研发与产业化现状

中国从第六个五年规划就开始研究固态电池,目前,已经形成了多支贯穿产业链的固态金属锂电池研究队伍,见图2。

 

2 中国固态锂电池研发队伍

中科院系统的长春应化所、沈阳金属所、物理所、化学所、大连化物所、宁波材料所、上硅所,国防科大和北大深圳研究生院院等已经在固态锂电池关键材料、固态锂电池制造装备和电芯制造技术上已经取得了一定的成就。但主要研发成果产出以中科院系统为代表,表1为中科院固态电池产业研发进展。

1 中科院固态电池产业研究发展

 

来源:中科院

同时,国内锂电池技术的优势企业,如宁德时代新能源、中航锂电、贝特瑞、力神、赣锋锂业、天齐锂业、天津中能等也已开始布局固态锂电池技术开发。混合固液电解质及全固态电池的研发需要原创的系列解决方案,难度不低于液态锂离子电池,并非短期内能迅速突破,当然需要扎实连续的基础研发,绝大多数企业尚未能研制出性能优异的大容量电芯。

固态锂电池目前主要技术瓶颈

目前,兼顾力学与离子传导特性的高耐氧化电位、高锂离子电导率的聚合物复合固态电解质膜,并且能够在全寿命周期完全阻止锂枝晶穿刺尚未突破。固态电解质层与电极层界面电阻较大。

循环过程中固态电解质相与电极内颗粒接触变差。锂沉积位点及形貌不易控制。纯金属锂电极存在较大体积变化。高速高效率固态电池的制造工艺和装备尚不成熟。固态电池低温特性尚需改善。全寿命周期固态锂电池安全性与热失控行为机理不清楚。

有业内专家大胆预计,所有问题有可能在3年之内找到解决方案,5年之内实现小试,8年进入大规模应用。

承担了国家863计划及中国科学院纳米先导专项相关课题的中国科学院宁波材料所许晓雄研发团队,从事固体电解质及固态锂电池的研发攻克了很多固态锂电池研发瓶颈。他们开发的固态锂电池能量密度达到240wh/kg,循环500次容量保持88.7%。目前该团队已经成立了浙江锋锂新能源科技有限公司,主要专注于锂电池核心材料、高比能固态锂电池电芯技术开发。    

       结语

       从全球范围来看,固态锂电池有很多基础研究和工艺技术问题亟待解决。目前,固态锂电池还不能满足作为动力电池的技术需求,改善现有固态锂电池的性能又兼顾能量密度和安全性还将面临很多挑战,并且很多技术改善也仅仅停留在实验室研发阶段,无法真正走向应用市场。我国应加大发展固态锂电池的研发力度,争取在不久的将来解决所有的技术瓶颈,推进固态锂电池产业化发展。


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