固態(tài)電池技術(shù)迎來了突破。
(資料圖片)
近日,美國哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的固態(tài)電池,該電池能夠循環(huán)10000次,有望實(shí)現(xiàn)3分鐘內(nèi)完全充電,并且可持續(xù)使用20年。
這款固態(tài)電池使用的是純金屬形式的鋰,使用固體電極和固體電解質(zhì),而不是鋰離子電池中的液體或聚合物凝膠電解質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)室中,電池原型能夠成功完成5000至10000次充電循環(huán)。哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)對于固態(tài)鋰金屬電池的研究可追溯至去年5月,但彼時的技術(shù)停留在“10~20分鐘內(nèi)完全充電,10~15年的電池使用壽命”層面上。
這款電池的設(shè)計(jì)靈感來自于英式經(jīng)典三明治。如果將電池想象成三明治,首先一層是面包(鋰金屬陽極),然后是生菜(石墨涂層),接下來是一層西紅柿(第一種電解質(zhì))和一層培根(第二種電解質(zhì)),最后是另一層西紅柿和最后一塊面包(陰極)。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,通常其他固態(tài)設(shè)計(jì)中的鋰金屬陽極會發(fā)展出樹突狀的生長,可以逐漸通過電解質(zhì)滲透到陰極,進(jìn)而導(dǎo)致鋰離子電池短路。也就是說,鋰離子電池在使用過程中產(chǎn)生的樹突或枝晶是電池著火的根本原因。而三明治的多層結(jié)構(gòu)可防止枝晶結(jié)構(gòu)生成,在這種設(shè)計(jì)中,樹突在“生菜”和“番茄”中生長,但在“培根”處停止?!芭喔逼琳献柚怪Т┻^使電池短路,從而防止了故障產(chǎn)生。
“我們著手將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化,我們的技術(shù)與其他固態(tài)電池相比是獨(dú)一無二的。在實(shí)驗(yàn)室中,我們已經(jīng)在電池的使用壽命內(nèi)實(shí)現(xiàn)了5000到10000次充電循環(huán),而現(xiàn)在即使是同類產(chǎn)品中最好的電池也需要2000到3000次充電循環(huán),而且我們認(rèn)為擴(kuò)大電池技術(shù)沒有任何基本限制,這可能會改變游戲規(guī)則?!惫鸫髮W(xué)約翰 A. 保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)副教授Xin Li表示。
目前,研究團(tuán)隊(duì)成立的初創(chuàng)公司 Adden Energy宣布已獲得哈佛大學(xué)技術(shù)發(fā)展辦公室授予的獨(dú)家技術(shù)許可,用于推進(jìn)該技術(shù)的商業(yè)化,其目標(biāo)是將電池縮小為手掌大小的“軟包電池”,其組件封裝在鋁涂層薄膜中。不過,Xin Li去年在接受媒體采訪時表示,這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化還需要數(shù)年時間,同時還面臨著許多挑戰(zhàn)。
固態(tài)電池是指采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池,其具備更高的安全性和能量密度,被認(rèn)為是下一代電動車動力電池的技術(shù)方向?,F(xiàn)階段,固態(tài)電池在技術(shù)指標(biāo)上領(lǐng)先于三元鋰電池。從當(dāng)前產(chǎn)業(yè)布局來看,豐田、寶馬、大眾、現(xiàn)代等多家國際車企均在固態(tài)電池領(lǐng)域進(jìn)行布局,并加大在固態(tài)電池領(lǐng)域的投資。此外,車企和電池制造商紛紛攜手攻堅(jiān)克難,豐田正與松下公司合作,大眾則投資了美國電池初創(chuàng)企業(yè)QuantumScape,福特、寶馬投資了Solid Power。Solid Power的全固態(tài)電池理論上可使續(xù)航距離最高達(dá)到鋰電池的2倍,寶馬計(jì)劃于2025年之前開始對配備全固態(tài)電池的車輛進(jìn)行路測,2030年之前上市。奔馳繼與Hydro Quebec合作之后,現(xiàn)在還與Factorial Energy共同研發(fā)固態(tài)電池。
不過,目前還未看到量產(chǎn)固態(tài)電池搭載在汽車上。早在2011年,豐田就表示將在2015年至2020年推出固態(tài)電池,其認(rèn)為固態(tài)電池將完全彌補(bǔ)新能源汽車的續(xù)航里程難題,同時還能大力推動新能源汽車普及速度。然而,時至今日,固態(tài)電池依舊未能得以正式應(yīng)用,豐田預(yù)計(jì)2025年才將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用,LG新能源則預(yù)計(jì)2026年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池量產(chǎn)。
“對于全固態(tài)電池,目前仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)?!备吣軙r代CEO董思曉在接受第一財(cái)經(jīng)記者采訪時表示,一是電解質(zhì)的批量化、低成本化、穩(wěn)定化合成問題一直未能有效解決,二是固固界面問題導(dǎo)致的內(nèi)阻大的問題未得到解決,三是相應(yīng)的設(shè)備、工藝尚未定型。
其中,固固界面的問題分為物理層面和化學(xué)層面,在物理層面,粉體顆粒在電池充放電循環(huán)中會發(fā)生體積變大或變小,由于不含有液體,因此顆粒與顆粒之間、層與層之間容易產(chǎn)生縫隙,帶來接觸不良,影響離子和電子的傳輸,電池內(nèi)阻就會增加,在充放電過程中就會發(fā)生極化問題,導(dǎo)致倍率性能下降。在化學(xué)層面,如果硫化物電解質(zhì)材料選型不好,硫化物電解質(zhì)容易與正負(fù)極材料、導(dǎo)電劑、粘接劑材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此在電化學(xué)環(huán)境下,就會在界面上產(chǎn)生鋰離子電導(dǎo)率比較低的反應(yīng)產(chǎn)物,導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大,電池倍率性能降低。
業(yè)內(nèi)有一種說法是全固態(tài)電池的成本比當(dāng)前的鋰電池高4倍以上。伊維經(jīng)濟(jì)研究院研究部總經(jīng)理、中國電池產(chǎn)業(yè)研究院院長吳輝認(rèn)為,因?yàn)闆]有量產(chǎn),所以沒法去比較成本,但是現(xiàn)在這些半固態(tài)電池的成本都在1元/WH以上,而液態(tài)鋰電池電芯的成本大約現(xiàn)在0.7~0.8元/WH(以三元為主)。全固態(tài)電池量產(chǎn)時間可能在2030年左右。
中國科學(xué)院院士、中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高此前談到,材料這種事,要厚積薄發(fā),固態(tài)電池真正投入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用大概的時間是在2025~2030年之間。
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