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全固態鋰電池的研究與應用

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年08月17日  

2015年6月3日,由國家能源局指導,中關村儲能產業技術聯盟(CNESA)與杜塞爾多夫展覽(上海)有限公司共同主辦的“儲能國際峰會2015”在北京召開。在儲能技術分論壇上,中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員許曉雄發表主題演講,以下為演講內容。


中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員許曉雄:


我們研究所主要做鋰電池細分行業中的全固態鋰電池。


所有的化學能源都會涉及到安全問題,對于鋰離子電池來說,安全問題也至關重要。全固態鋰電池的材料比較安全,另外本質性的反應比較少,因此使用壽命有望做到比普通鋰離子電池長很多。


我們研究所在解決鋰電池安全方面做了很多工作,比如對鋰離子電池進行電解液添加和隔膜表面涂層研究,但這些都是在從局部解決安全問題。在化學儲能領域從根本上解決安全問題,全固態器件是比較好的研究方向。美國已經做出相關規劃,要在全固態聚合物上進行大量研發投入;日本根據2014年修訂的計劃,對固態電池進行了重新闡述,同時也進行了更大力度的投入,其原因是現階段一些日本企業的研究成果得到了進一步推進。


固態電池就是用固態電解液材料替換液態電解液,實現二次電池化學儲能。從世界范圍來看,現在固態電池領域發展比較快也比較好的是日本,尤其是豐田汽車。根據2012年的數據,他們的電池單體容量實現了比較好的循環次數;2014年,他們對外報道是數據實現了固態電池大容量80萬次的放點水平;預計2020年,他們會將這種技術應用在SUV汽車上。美國在固態電池領域也處于快速研發階段,尤其是超高提及能量密度電池,目前這種電池主要應用于高端的3C產品,包括可穿戴產品市場中,未來這一市場容量還會逐漸增加。


我國在“八五”、“九五”期間已經開始了固態電池的相關研究,“十二五”期間科技部“863項目組”啟動了對這項研究的支持。


固態電池隨著溫度升高,電導率也會提升。三星基于日本技術,利用手機大屏幕的發熱效應提升固態電池的性能,溫度越高性能就越好。在技術層面,歐洲做的相對成熟,截止到2014年,已經有超過3000輛聚合物能源車在路上跑,他們的電池正極用磷酸鐵鋰。現階段來說,這些都是基于固態電池規模化應用比較成功的案例。


目前,真正具有應用價值的固體電池材料有硫化物體系、無機材料、基于離子液體的有機材料、PUG材料。2011年后,我們研究所開發出一種超過現有鋰離子電池的電解質材料應用在固態電池中后,發現正極材料的性能很難發揮出來,主要是電阻非常高,需要進行界面優化。負極方面,我們希望把金屬作為基礎材料來提高電池能量密度,同時提高加工性能。


我們通過研究發現,結合循環和電導率因素,離子電導率對電子能量密度的影響比較顯著。


寧波材料技術與工程研究所從2011年開始,基于固態電池做了幾方面研究:第一是電解質材料研究,先是做了氧化類的電解質材料,其優點是在空氣中比較穩定,然后基于高體積密度材料發展了氧化物類材料體系,提高電導率;第二,發展了硫化物材料,做出了適合應用重量、能量密度比較高的固態電池。第三,基于氧化物研發空氣電池,我們已經制備出了密度比較高、非常薄的電池,而且可以做成不同的尺寸和形狀。


我們研發的大容量全固態鋰電池,在60℃下可以循環200次,保持96%的循環深度,穩定性比較優越。我們在90℃進行充放電,電池溫度升高的同時能量也在增加,驗證了全固態鋰電池的特性——溫度升高會導致電解質材料導電性提高。


目前我們已經為這項技術申請了20項專利。基于氧化物的全固態電池優勢是密度很高,而且可以做成不同的尺寸。目前,國內已經有幾家大型企業開始投入相關研發。感謝大家聆聽。

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