固態(tài)鋰電池 資料圖片
2017年8月，日本日立公司的研究人員宣布，其固態(tài)電池技術(shù)已研發(fā)完成。日立相關(guān)人士透露，目前日立已將固態(tài)電池的樣品送到了航空航天和汽車行業(yè)的潛在客戶。此外，日立正在與一個(gè)未公開的日本電池制造商合作，完善一些細(xì)節(jié)上的問(wèn)題，并在2020年之前將固態(tài)電池投放市場(chǎng)。
2017年6月，豐田向美國(guó)提交的一份編號(hào)為20170179545的固態(tài)電池專利申請(qǐng)被公開。亞化咨詢研究表明，該固態(tài)電池由硫化固態(tài)電解質(zhì)和電極活性材料構(gòu)成，其中，電解質(zhì)材料的組成包括鋰、磷、硫、碘等四種元素；正極材料則包含了一種磷酸酯。該磷酸酯在正極材料中的重量占比范圍在1-30%不等。通過(guò)在正極材料中添加磷酸酯，該固態(tài)鋰電池的熱穩(wěn)定性得以改善。7月，豐田表示，計(jì)劃于2022年開始銷售由全固態(tài)電池提供動(dòng)力的電動(dòng)車。
固態(tài)鋰電池是一種使用固態(tài)電解質(zhì)的電池。在構(gòu)造上，固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰離子電池簡(jiǎn)單。固態(tài)電解質(zhì)除傳導(dǎo)鋰離子，也充當(dāng)了隔膜的角色。因此，在固態(tài)鋰電池中，電解液、隔膜與粘結(jié)劑PVDF等都不需要使用。工作原理上，固態(tài)鋰電池和鋰離子電池相通，充電時(shí)，正極中的鋰離子從活性物質(zhì)的晶格中脫嵌，通過(guò)固體電解質(zhì)向負(fù)極遷移，電子通過(guò)外電路向負(fù)極遷移，兩者在負(fù)極處復(fù)合成鋰原子、合金化或嵌入到負(fù)極材料中。放電過(guò)程與充電過(guò)程相反，此時(shí)電子通過(guò)外電路驅(qū)動(dòng)電子器件。
傳統(tǒng)鋰離子電池與固態(tài)鋰電池示意圖
亞化咨詢《中國(guó)鋰離子電池年度報(bào)告2017》顯示，固態(tài)鋰電池在材料上的選擇、研究方向與最新進(jìn)展如下所示——
1）電解質(zhì)
固態(tài)鋰電池主要采用固態(tài)電解質(zhì)，如聚合物、無(wú)機(jī)物等。目前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在高電導(dǎo)率的復(fù)合型電解質(zhì)等的研發(fā)上。
2016年11月，三井金屬發(fā)布了全固態(tài)電池用的硫化物固態(tài)電解質(zhì)Argyrodite。三井金屬表示，將會(huì)與電池廠商和汽車廠商等合作，到2020年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)的商業(yè)化。
三井金屬Argyrodite硫化物固態(tài)電解質(zhì)
2）正極材料
除傳統(tǒng)正極材料外，固態(tài)鋰電池還能兼容更高電壓的氧化物正極、高容量硫化物正極等。固態(tài)鋰電池正極材料的研究方向集中在降低正極的界面阻抗，提高高倍率放電性能等。
2015年8月，北大新材料學(xué)院首次將高容量硅酸亞鐵鋰（Li2FeSiO4）正極材料應(yīng)用于聚氧乙烯基全固態(tài)電池。該電池在100℃具有優(yōu)越的倍率性能（30C容量有67.5mAh/g）以及較高的比容量發(fā)揮（1C容量有258.2mAh/g）。
3）負(fù)極材料
除傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料外，固態(tài)鋰電池還在開發(fā)應(yīng)用其他高性能負(fù)極材料，包括金屬鋰負(fù)極，硅基、錫基負(fù)極以及氧化物等負(fù)極。
2016年5月，由日本東北大學(xué)原子分子材料科學(xué)高等研究機(jī)構(gòu)和東京大學(xué)的研究所組成的研究小組宣布成功開發(fā)出新型固態(tài)鋰電池的負(fù)極材料穿孔石墨烯分子（CNAP）。該材料電容是石墨的2倍以上，反復(fù)65次充放電后電容仍能保持較高水平。
目前全球多個(gè)國(guó)家先后制定了高能量密度鋰電池的研發(fā)目標(biāo)。如日本政府提出，2020年動(dòng)力電池電芯能量密度將達(dá)到250Wh/kg，2030年達(dá)到500Wh/kg；美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（USABC）提出將2020年電芯能量密度由原來(lái)的220Wh/kg提高至350Wh/kg；中國(guó)國(guó)務(wù)院《中國(guó)制造2025》中明確提出，到2020年中國(guó)動(dòng)力電池單體比能量要達(dá)到300Wh/kg，2025年達(dá)到400Wh/kg，2030年達(dá)到500Wh/kg。
公開資料顯示，當(dāng)前采用三元正極材料和石墨負(fù)極材料的液態(tài)動(dòng)力鋰電的能量密度極限在280Wh/kg左右，而引入硅基復(fù)合材料替代純石墨作為負(fù)極材料，動(dòng)力鋰電的能量密度有望做到300Wh/kg以上，上限約為350Wh/kg。
亞化咨詢認(rèn)為，上述國(guó)家提出的動(dòng)力電池單體比能量的2020年的目標(biāo)是可以通過(guò)現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。若想達(dá)成更高能量密度的目標(biāo)，固態(tài)鋰電池將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。目前固態(tài)鋰電池存在固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極之間界面阻抗過(guò)高、固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率偏低、材料制備成本昂貴等難題，使得固態(tài)鋰電池在2022年難以成為市場(chǎng)主流。但是考慮到市場(chǎng)對(duì)鋰電池能量密度和安全性能需求的持續(xù)提升，固態(tài)鋰電池的發(fā)展前景值得期待。
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