电池革命一直在路上
2021-01-14

「一切发生的事情是有迹象的,是可预见的

--让交易有迹可寻」

昨日,松下在国际消费类电子产品展览会(CES)上发布消息称,将致力于开发不使用钴的锂离子电池。松下的北美总负责人迈克尔.莫斯科维茨表示,松下打算在几年内把目前低于5%的钴的使用比率降至零。目前,公司的电池供应对象企业、纯电动汽车(EV)企业特斯拉也已宣布将把钴的使用比率降为零。

锂电池

通常我们说得最多的动力电池主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元锂电池(三元镍钴锰)。

在世界各地,锂离子电池被广泛用于日常技术,包括电动汽车、电动工具、手机和笔记本电脑等。然而,由于电解质不稳定、易燃,以及由此形成的界面,使其发展面临挑战。

锂金属电池:锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

锂离子电池:锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

电池升级改造持续中

虽然锂金属电池的能量密度高,理论上能达到3860瓦/公斤。但是由于其性质不够稳定而且不能充电,所以无法作为反复使用的动力电池。而锂离子电池由于 具有反复充电的能力,被作为主要的动力电池发展。但因为其配合不同的元素,组成的正极材料在各方面性能差异很大,导致业内对正极材料路线的纷争加大。

为了克服其中部分问题,谢菲尔德大学研究团队的研究人员设计了新型固态材料,将钨和碲基双钙钛矿材料组合在一起,分别作为电极和电解质,以形成更加兼容和稳定的界面。这两种材料来自同一钙钛矿家族,因此兼容性更好,使制造下一代锂离子固态电池成为可能。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘兆平研究团队在高能量密度锂电池关键材料及体系构建等方面开展深入研究。科研人员结合在锂金属二次电池关键材料及电芯工艺研发基础,采用富锂锰基正极材料为正极、锂金属为负极,应用该新型电解液体系设计构建了一款容量为3.6Ah、能量密度达430Wh/kg的新型锂金属二次电池,并表现出优良的循环稳定性。

华为一项与锂离子电池有关的新专利被国家知识产权局公开。华为在专利中表示,本发明实施制备得到的锂离子电池用导电粘结剂可以有效缓冲充放电过程中活性材料的体积变化带来的负面影响,提高电池的循环特性,且该锂离子电池用导电粘结剂同时作为导电剂和粘结剂,可提高正负极嵌锂活性物质含量,进而提升电芯能量密度。

韩国研究人员另辟蹊径 创建全固态电池的3D虚拟副本,研究人员表示:“大多数研究都专注于开发新材料,或改善现有全固态锂电池的性能。我们选择了一条不同的路线,并寻找解决方案,以将电极和电池设计中的缺陷降至最低。”他们发现,与锂离子电池相比,全固态锂电池的特定接触面积要小得多。

总部位于加利福尼亚州的 QuantumScape 公司,最近刚刚宣布了首个在商业上可行的固态锂金属电池解决方案。其宣称可将电动汽车的续航里程增加多达 80%,并且支持在 15 分钟内将电量从 0 充到 80% 。据悉,通过使用固态电解质来替代传统的液态电解质,固态锂金属电池在体积重量 / 能量密度上都具有更高的优势。就算经历了 800 次的充放电循环,新型固态锂金属电池亦可维持 80% 以上的容量。简单换算一下,相当于一辆电动汽车行驶了 24 万英里(38.6 万公里)除了大股东(大众汽车集团)承诺的 3 亿美元资金,该项目还获得了 Continental 和比尔·盖茨等投资者的关注。

固态电池商业化还有多远

所谓的固态电池其实原理很简单,它就是把传统锂电池里的液体电解液,给换成了一种非常先进的固态材料。

固态电池的电解质是固态,固态电解质不可燃烧,极大提高电池安全性。与传统锂离子电池相比,全固态电池最突出的优点是安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性,防止了传统锂离子电池中的电解液泄露、电极短路等现象,降低了电池组关于温度的敏感性,根除安全隐患。同时,固态电解质的绝缘性使得其良好地将电池正极与负极阻隔,防止正负极接触出现短路的同时能充当隔膜的功能。

尽管全固态电池长期看好,但目前来说商业化尚早。全固态电池在技术、工艺和成本上均存在一系列难题,技术指标在实验室条件下仍处于不稳定状态,距离商业化尚早。

(1)技术上看,全固态电池目前在循环寿命、快充性能、界面阻抗上尚不达标。

(2)加工工艺难度大。

(3)生产成本高:固态电池生产成本多为生产过程成本。根据国际新能源网,与锂离子电池(过程成本仅为20-30%)相比,固态电池生产过程成本占比超50%;银碳层大规模生产所需的贵金属纳米银成本较高。

(4)全球进展:总体还处于试制阶段。国际上看,日本车企技术规划及应用进度较快,其中丰田已经对外展示了处于试制阶段的固态电池样品。中国企业大多仍处于规划布局阶段。国内上看,部分中国车企发布了明确应用固态电池的规划,但占比较小。与传统车企相比,以蔚来为代表的中国新兴造车势力,在固态电池的布局上则上更为积极。

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