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讓鋰離子電池不爆炸的最終解決方法是什么?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年05月18日  

普通的鋰離子電池由正極、負極、電解質、隔膜組成。鋰離子在正負極之間來回奔跑,完成充放電的過程。有了電解質,鋰離子才能奔跑。正負極之間用陶瓷或者其他聚合物制成的隔膜隔開,電池的正負極因此防止了直接接觸。


安全隱患就在這個隔膜上。一旦高壓、過熱,隔膜很容易被穿破,導致正負極接觸,造成內部短路。據《科技日報》報道,三星為了提升電池的能量密度、延長續航能力,采用了更薄的隔膜材料,所以才會事故頻出。


想想看,一輛特斯拉要使用7000多節18650型號鋰離子電池,只要其中一節出了問題


只有一個改變才可以徹底解決問題把液體的電解質換成固體的。


固態電解質能讓電池正負極永不接觸。即使發生過熱情況,固態電解質只是熔化成絕緣體,溫度下降后又能恢復成固體,不會分解出氣體和多余的熱量。


假如一個鋰離子電池,換成固態電解質,它就叫做固態電池。


人類在固態電池上探索的道路至今已經有六十多年。最先生產出來的固態電池,不是那種厚厚的、或者圓圓的,而是像一層薄膜相同。


第一個報道產出固態電池的是日本人。1982年,日本Hitachi公司首先聲明自己產出了厚度小于10μm的固態電池,是一層薄膜。但這塊電池的功率太低,無法驅動任何電子設備。


薄膜電池現在有更成熟的產品了。2008年,美國的InfinitePowerSolutions(IPS)公司推出了一種全固態薄膜電池。它只有一個指甲蓋大小、兩張紙厚,15分鐘就能充到90%的電量,可充放電10萬次,使用至少15年。由于是全固態,這種薄膜電池可以隨意彎折,在-40℃到85℃溫度范圍、甚至水下一千多米都能安全使用。


2015年,InfinitePowerSolutions公司被蘋果收購,開始研究用于可穿戴設備上的固態電池。可以想象,假如蘋果手表用上固態電池,就能解決續航時間以及體積問題了。


這種薄膜形狀的固態電池,在微型電子器件市場上應用廣泛。世界范圍內,有十幾家公司擁有薄膜電池的專利,除了上面提到的兩家,還有法國Bellcore、美國Cymbet、臺灣輝能科技、俄羅斯的GSNanotech等。


但薄膜電池生產成本實在太高。它要利用一種叫做氣相沉積的技術,所用設備動輒上百萬。假如將薄膜電池用到手機上,一臺蘋果能賣到100多萬。


另外,因為電極是薄膜,薄膜電池能儲存的能量很少,別說電動汽車了,手機要的電力都供不上。


更多人把目光投向了大容量的非薄膜型固態電池。但非薄膜型的電池,目前技術還不是很靠譜。


瓶頸重要有兩個:一是固態電解質離子電導率太低,也就是鋰離子在固態中奔跑得慢,而電池是靠鋰離子在正負極間奔跑來實現充放電的,所以這意味著電池充放電慢。二是固電解質和電極接觸得沒有液態和電極接觸好,導致界面電阻太高,這會顯著降低電池性能。


在非薄膜型的電池里面,有三種材料可作為電解質:聚合物,硫化物,氧化物。有不少公司說自己在做以聚合物為電解質的電池,但他們做的其實不是聚合物固態電池,而是凝膠電解質,如Sony和三星。凝膠的狀態介于固態和液態之間,其實根本沒有解決安全性的問題,凝膠電池的能量密度也難以提高。所以三星后來索性放棄了凝膠電解質。


其它絕大部分廠商,包括我國新能源科技(ATL),只是在隔膜上涂一層聚合物將隔膜與正負極粘接在一起。話說,ATL是全球最大的聚合物電池供應商,為三星、蘋果、華為、OPPO等公司供貨。


什么時候固態電池才能夠進入大規模產業化?


大部分業界的人挺樂觀。《日經技術》認為,預計3年內能出現性能為現有鋰離子電池2倍多的產品。2013年,美國能源存儲聯合研究中心(JCESR)則說,5年內(2018年)開發出(相比普通鋰離子電池)能量密度達到5倍、價格降至1/5的蓄電池。


但科研領域的學者們都偏保守他們認為畢竟研究出產品跟能形成產業是兩碼事。2016年上半年,科學院物理研究所研究員李泓博士說:至少要到2020年,中科院物理研究所出產的固態電池可能試水到商業化的程度,而真正的全固態可能要更長時間。


雖然工業上不可能實現液態到固態的飛越,但這不代表產業界在固態電池領域無計可施。峰瑞資本投資人朱祎舟說,我們可以尋找液態到固態的過渡方法。例如,從麻省理工孵化出來的鋰離子電池公司SolidEnergySystems的電解質,就是既有固態又有液態:先在金屬鋰電極上覆蓋一層固態電解質薄膜,然后加入一種準離子態阻燃液體。制成的電池跟傳統電池比體積縮小一半,還能供應更多能量。


固態電池性能好,成本高,就先瞄準對安全性、穩定性需求高,又不計成本的行業。固態電池的制造過程跟傳統電池的不相同,就要充分利用傳統電池的生產設備,防止重建整條生產線,從而降低生產成本。朱祎舟說。


在大容量固態電池做產業化的這條路上,日本遠遠走在全世界前列。豐田、日立造船都是固態電池界的領軍公司。2009年,日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)啟動了210億日元計劃,舉國之力研究電池,希望能在2030年前開發出能量密度為現有水平5倍以上的可充電電池。從現在看來,這個時間可能被大大提前。


韓國也不落后,三星在日本也有個固態電池研究所早點研發出來三星就能換上固態電池了。


日韓之后,依次是歐洲、美國、我國。


法國已經有電動汽車投入使用固態電池,但他們用的固態電池中間還是有隔膜的,不是真正意義上的全固態,而且目前尚無大規模應用。美國人則只有技術,沒有可以量產的產品,這里有創業公司一大把,比如:Seeo,SolidEnergySystem,SolidPower,QuantumeScape等等等等。


我國人還處于研究階段,相關標的有清陶能源、寧德時代新能源科技(CATL)、比亞迪、微宏動力等,研發進度有快有慢。其中,清陶能源位于江蘇盱眙,由南策文院士團隊組建。同時,南院士擁有我國第一個與全固態有關的專利。



我們盤點了四家開發固態電池的公司,其中法國的BatScap雖然有投入使用的產品,但不是真正意義上的全固態電池;其他公司目前還只有技術。


【BatScap】


BatScap是法國博羅雷(Bollore)的子公司,開發了可以在電動汽車上使用的固態電池。開發固態電池的BatScap是博羅雷在能源領域布局的一個關鍵。


BatScap做的是要加熱的聚合物固態電池。因為在常溫下聚合物的離子電導率太低,意味著鋰離子在電極間奔跑得慢,充放電也就慢。加熱后,聚合物的離子電導率才能提高。


2011年底開始,博羅雷利用自主開發的EVBluecar,在法國巴黎及郊外供應汽車共享服務Autolib,即抵達目的地后交換車輛。這種汽車用的就是BatScap的固態電池,規格是30kWh。目前這種Bluecar已有近4000輛,有約900座服務站和4500臺充電器,每天利用次數1.8萬次。


然而,電池要加熱才能使用是難以大規模推廣的。電動汽車可以利用行駛中出現的熱量來維持60~80℃的使用溫度。但停車時,必須要利用電池組內部的加熱器來維持溫度,每秒會消耗約200W的電力,跟一個電冰箱差不多。在停車過程中要一直連接充電器。有人做過估算,平均一年下來,停車時加熱器消耗的電力比行駛時所需的電力還多。


不過,據一名固態電池的技術人員透露,BatScap的聚合物固態電池其實中間也有一層隔膜,根本不是我們所說的全固態。


【SolidPower】


美國SolidPower成立于2012年,位于美國肯塔基州的路易斯維爾市,在科羅拉多科技中心擁有650多平方米的廠。創始團隊有不少來自科羅拉多大學博爾德分校(UCB)的教授與副教授。這些教授背景都十分強,比如僅SeheeLee教授一人就有18項相關專利。


SolidPower拿政府的錢比較多,2013年獲美國能源部資助的346萬美元,科羅拉多州的經濟發展與國際貿易部門(COEDIT)資助的25萬美元。2014年底又獲美國空軍資助290萬美元。


SolidPower固態電池的電池能量密度達到了600Wh/kg,是市面上電池容量的兩倍多。


【Sakti3】


Sakti3是一位來自美國密歇根大學的教授在2007年設立的風險創業公司。Sakti在梵文中是力量的意思,3是鋰的原子序數,連起來就是鋰的力量。這家公司是用蒸鍍的方法制備無機固態電解質,并且宣稱已能實現高效率量產。


值得一提的是,Sakti32015年獲得家電巨擘戴森公司1500萬美元融資,年底被戴森以9000萬美元收購。2016年九月,戴森宣布投資14億建立電池廠。


Sakti3宣布已制造出能量密度達550Wh/kg的電池,這一能量密度要比普通鋰離子電池的高大約50%,電池蓄電量是特斯拉現在使用的鋰離子電池的兩倍。Sakti3對媒體說,他們在其位于密歇根的小型試驗場已制造出這種固態電池的原型,預計在兩三年內實現商業化。


然而,業內針對Sakti3的聲音真不少。不少科研人士都認為:Sakti3沒有產品,只是在炒作固態電池概念。


2013年時,豐田宣布,計劃在2020年全面實現全固態電池商業化,其能量將是鋰離子電池的三到四倍,并在接下來幾年使用鋰空氣電池。


許多日企都非常重視離子導電率。離子導電率高,意味著鋰離子在正負極間奔跑得快,充放電的速度就快。而硫化物電解質在常溫下的離子導電率與液態電解質相近,所以有許多日本公司在研究硫化物。豐田就是個代表。


根據豐田2014年公布的專利,他們研發的全固態電池,改善固態電解質和電極接觸差的問題,用濕涂工藝來制備中間的電解質,讓電解質變得很薄,從而減小電池體積。同時豐田放大了電芯尺寸,將電池面積擴大了50倍,容量提升了一千倍。


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