“三明治式”固态锂电池三分钟充满电 商业化还需时日

2022-09-22 06:30:53 第一财经日报  武子晔

  [ 业内有一种说法是全固态电池的成本比当前的锂电池高4倍以上。 ]

  固态电池技术迎来了突破。

  近日,美国哈佛大学研究团队开发了一种新的固态电池,该电池能够循环充电10000次,有望实现3分钟内完全充电,并且可持续使用20年。

  这款固态电池使用的是纯金属形式的锂,使用固体电极和固体电解质,而不是锂离子电池中的液体或聚合物凝胶电解质。在实验室中,电池原型能够成功完成 5000至10000次充电循环。哈佛大学研究团队对于固态锂金属电池的研究可追溯至去年5月,但彼时的技术停留在“10~20分钟内完全充电,10~15年的电池使用寿命”层面上。

  这款电池的设计灵感来自英式经典三明治。如果将电池想象成三明治,首先一层是面包(锂金属阳极),然后是生菜(石墨涂层),接下来是一层西红柿(第一种电解质)和一层培根(第二种电解质),最后是另一层西红柿和一层面包(阴极)。

  研究团队认为,通常其他固态设计中的锂金属阳极会发展出树突状的生长,可以逐渐通过电解质渗透到阴极,进而导致锂离子电池短路。也就是说,锂离子电池在使用过程中产生的树突或枝晶是电池着火的根本原因。而三明治的多层结构可防止枝晶结构生成,在这种设计中,树突在“生菜”和“番茄”中生长,但在“培根”处停止。“培根”屏障阻止枝晶穿过使电池短路,从而防止了故障产生。

  “我们着手将这项技术商业化,我们的技术与其他固态电池相比是独一无二的。在实验室中,我们已经在电池的使用寿命内实现了5000到10000次充电循环,而现在即使是同类产品中最好的电池也只有2000到3000次充电循环,而且我们认为扩大电池技术没有任何基本限制,这可能会改变游戏规则。”哈佛大学约翰·A. 保尔森工程与应用科学学院材料科学副教授Xin Li(李新,音译)表示。

  目前,研究团队成立的初创公司 Adden Energy(艾登能源公司)宣布已获得哈佛大学技术发展办公室授予的独家技术许可,用于推进该技术的商业化,其目标是将电池缩小为手掌大小的“软包电池”,其组件封装在铝涂层薄膜中。不过,Xin Li去年在接受媒体采访时表示,这项技术的商业化还需要数年时间,同时还面临着许多挑战。

  固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池,其具备更高的安全性和能量密度,被认为是下一代电动车动力电池的技术方向。现阶段,固态电池在技术指标上领先于三元锂电池。从当前产业布局来看,丰田、宝马、大众、现代等多家国际车企均在固态电池领域进行布局,并加大在固态电池领域的投资。此外,车企和电池制造商纷纷携手攻坚克难,丰田正与松下公司合作,大众则投资了美国电池初创企业QuantumScape(量子景观公司),福特、宝马投资了Solid Power(固态动力公司)。Solid Power的全固态电池理论上可使续航距离最高达到锂电池的2倍,宝马计划于2025年之前开始对配备全固态电池的车辆进行路测,2030年之前上市。奔驰继与Hydro Quebec(魁北克水电公司)合作之后,现在还与Factorial Energy(阶乘能量公司)共同研发固态电池。

  不过,目前还未看到量产固态电池搭载在汽车上。早在2011年,丰田就表示将在2015年至2020年推出固态电池,其认为固态电池将完全弥补新能源汽车的续航里程难题,同时还能大力推动新能源汽车普及速度。然而,时至今日,固态电池依旧未能得以正式应用,丰田预计2025年才将实现大规模量产应用,LG新能源则预计2026年实现全固态电池量产。

  “对于全固态电池,目前仍存在一些技术难点。”高能时代CEO董思晓在接受第一财经记者采访时表示,一是电解质的批量化、低成本化、稳定化合成问题一直未能有效解决,二是固-固界面问题导致的内阻大的问题未得到解决,三是相应的设备、工艺尚未定型。

  其中,固-固界面的问题分为物理层面和化学层面,在物理层面,粉体颗粒在电池充放电循环中会发生体积变大或变小,由于不含有液体,颗粒与颗粒之间、层与层之间容易产生缝隙,带来接触不良,影响离子和电子的传输,电池内阻就会增加,在充放电过程中就会发生极化问题,导致倍率性能下降。在化学层面,如果硫化物电解质材料选型不好,硫化物电解质容易与正负极材料、导电剂、黏接剂材料发生化学反应,因此在电化学环境下,就会在界面上产生锂离子电导率比较低的反应产物,导致电池内阻增大,电池倍率性能降低。

  业内有一种说法是全固态电池的成本比当前的锂电池高4倍以上。伊维经济研究院研究部总经理、中国电池产业研究院院长吴辉认为,因为没有量产,所以没法去比较成本,但是现在这些半固态电池的成本都在1元/Wh以上,而液态锂电池电芯的成本大约现在0.7~0.8元/Wh(以三元为主)。全固态电池量产时间可能在2030年。

  中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高此前谈道,材料这种事,要厚积薄发,固态电池真正投入大规模商业应用大概的时间是在2025~2030年之间。

(责任编辑:王治强 HF013)
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