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中科院李泓:从液态到全固态电池 未来储能技术展望

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来源:
2017/05/18

      为有效降低电动汽车成本,众多汽车制造商都投入下一代动力电池技术研究,人们曾经想通过固态电池来提高汽车动力电池的续航水平,对于固态电池的研究已经出现了很多的研发实例。

  2017年5月17日,2017年第五届国际电动汽车及关键部件测评研讨会”在江苏常州成功召开。中国科学院物理研究所研究员李泓在会上详细解读了各种固态电池的发展方向及前景。

  目前,液态电解质锂离子电池已经进入第三代。其中,正极材料的电压和容量不断得到提高,负极逐渐转向高容量材料,电解液进一步功能化,而陶瓷隔膜还在不断发展中。在2016年国家新能源汽车重点专项中,各企业申报的研发方案显示,对于300Kw/h的锂离子动力电池路线基本选择高镍和NCA。此外,由于纳米硅的技术进步,颗粒尺寸逐渐下降,循环性也得到迅速提升,但是关键要解决电池的安全性能以及循环性能。

  在世界范围内,日本早在2008年就制定了国家计划,并希望在2030年实现固态电池的量产。固态电池从形态上分成三类,一个是纯聚合物,比如聚环氧乙烷;一个是无机固体电解质的氧化物或者硫化物,这些都可以是磷酸盐;第三个是把聚合物和无机复合结合在一起。这三种固体电解质最难解决的问题在于在锂离子电池或者是将来的金属正极的体积膨胀收缩。目前,没有办法解决超薄覆技术,可能需要添加液体来解决电子逐渐变大的问题。对固态电池来说,主要就是在循环过程中如何一直保持较低的电子和离子阻抗。

  在电解质材料本身,国际上已经开发了很多类,氧化物、硫化物、氢化物以及磷酸盐的薄膜和聚合物。现在主流的电解质材料有三种,首先是氧化物固体电解质,如果采用无机陶瓷来替代液体,需要非常复杂的表面包覆技术;要重点解决正极侧的填充问题。对于硫化物电解质,其电导率非常高,关键在于循环过程中电解质的变化,在基础研究层面,这个是世界范围内全固态电池最切实可行的路线。对于薄膜电解质,离子电导率虽然很低,但是因为过薄,是很难做大面积用于大容量电池。

  针对不同的固态电池类型,李泓研究院进行了细致的分析。

  目前,真正能做到商品的大容量电池的主要还是聚合物的固态电池,唯一商业化的就是聚环氧乙烷,可以使用25微米厚的金属锂,循环一千多次,工作温度在60到85度,所以在电池包需要有一部分热管理。

  科学院在2013年布局了一个战略宣导项目,希望能做一些把基础研究移到产业化上的一些电池的相关的技术,这个目标是做到300Kw/h,但是在明年6月份所有的材料要进入到量产的阶段。在固态方面,刚才提到PEO耐受电压是3.8伏,丙烯酸酯的耐受电压是4.5伏。

  总体而言,在开发的液态锂离子电池软包,在20~25%的一个重量比。今后的目标在国际上是发展全固态,可以带来能量密度和安全性兼容的效果。在产业上的话,固态电池的开发只需要把固体电解质和金属锂做好。在产业界已经准备好了来大规模生产固态的金属锂电池,在环境控制上已经没有任何问题。希望有机会跟各方来合作来一起推动固态电池的发展,谢谢大家。