1. 基于安全和能量密度上的優(yōu)勢,固態(tài)電池已成為未來鋰電池發(fā)展的必經(jīng)之路。
2. 分類:液態(tài)/凝膠態(tài)只含有液體電解質(zhì),半固態(tài)(Half solid)液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<10%,準固態(tài)/類固態(tài)(Nearly solid)液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<5%,全固態(tài)(All Solid)不含有任何液體電解質(zhì)。
3. 電解質(zhì):準固態(tài)電池將以聚合物復合電解質(zhì)為主,薄膜固態(tài)電池以氧化物復合電解質(zhì)為主,全固態(tài)電池以硫化物復合電解質(zhì)為主。
4. 產(chǎn)業(yè)化:2020 年前采用高鎳正極+準固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負極實現(xiàn) 300 Wh/Kg,2025 年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負極電池實現(xiàn) 400 Wh/Kg,2030 年前燃料/鋰硫/空氣電池實現(xiàn) 500 Wh/Kg
固態(tài)電池,是一種使用固體正負極和固體電解質(zhì),不含有任何液體,所有材料都由固態(tài)材料組成的電池。
液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池有 7 大短板
固態(tài)電池相比于傳統(tǒng)的鋰離子電池,實現(xiàn)了安全與性能雙提升
1)目前安全性最高
2)能量密度高
一是電壓平臺提升,負極金屬鋰,正極高電勢材料,電化學窗口 5V 以上
二是減輕電池重量,電極間距可以縮短到微米級,內(nèi)部串聯(lián)后簡化電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊,提高系統(tǒng)能量密度
三是材料體系范圍大幅提升,對于鋰-硫電池,可阻止多硫化物的遷移,對于鋰-空氣電池,可以防止氧氣遷移至負極側(cè)消耗金屬鋰負極。
值得特殊說明的是,如果不改變現(xiàn)有正負極體系,單純把液體電解質(zhì)更換為固體電解質(zhì),是無法從根本上提升能量密度的。
3)循環(huán)壽命長
4)工作溫度范圍寬
5)薄膜柔性化
6)回收方便
7)可快速充電
液態(tài)鋰電池于過度快充時會產(chǎn)生「枝晶」,引發(fā)電池短路而起火爆炸的危險,理論上固態(tài)鋰電池則可避免此危險發(fā)生,當然目前還只是理論。
8)多功能封裝
9)生產(chǎn)效率提高
2. 電池發(fā)展必經(jīng)之路
按照《中國制造2025》確定的技術目標,2020 年鋰電池能量密度到 300 Wh/kg,2025 年能量密度達到 400 Wh/kg,2030 年能量密度達到 500 Wh/kg。
基于高鎳三元+硅碳負極材料,現(xiàn)有體系的鋰電池的能量密度很難突破 300 Wh/kg。
鑒于安全和能量密度上的優(yōu)勢,固態(tài)電池已成為未來鋰電池發(fā)展的必經(jīng)之路。
我們認為,2020 年前高鎳正極+準固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負極實現(xiàn) 300 Wh/Kg,2025 年前富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負極電池實現(xiàn) 400 Wh/Kg,2030 年前燃料/鋰硫/空氣電池實現(xiàn) 500 Wh/Kg,核聚變電池是人類社會終極能源方式,詳情請參考上篇文章《汽車動力電池技術路線圖——固態(tài)風口,核能終結(jié)!》
根據(jù)結(jié)構(gòu)設計的差別,全固態(tài)鋰電池可分為薄膜型和大容量型。
傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池被人們形象地稱為“搖椅式電池”,搖椅的兩端為電池的正負兩極,中間為電解質(zhì)(液態(tài))。而鋰離子就像優(yōu)秀的運動員,在搖椅的兩端來回奔跑,在鋰離子從正極到負極再到正極的運動過程中,完成電池的充放電過程。
固態(tài)電池的原理與之相同,只不過其電解質(zhì)為固態(tài),具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端,傳導更大的電流,進而提升電池容量。
電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰電池技術的核心,電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項性能參數(shù),如功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命,應滿足以下要求:
室溫電導率 >10^(-4) S/cm
電子絕緣(Li+ 遷移數(shù)近似為 1)
電化學窗口寬(> 5.5V vs. Li/Li+)
與電極材料相容性好
熱穩(wěn)定性好、耐潮濕環(huán)境、機械性能優(yōu)良
原料易得,成本較低,合成方法簡單
目前固體電解質(zhì)的研究主要集中在三大類材料:聚合物、氧化物和硫化物。
5. 聚合物高溫性能好,率先實現(xiàn)商業(yè)化
聚合物固態(tài)電解質(zhì)(SPE)由聚合物基體(如聚酯、聚酶和聚胺等)和鋰鹽(如LiClO4、LiPF6、LiBF4等)構(gòu)成,鋰離子以鋰鹽的形式「溶于」聚合物基體(「固態(tài)溶劑」),傳輸速率主要受到與基體相互作用及鏈段活動能力的影響。
在高溫條件下,聚合物離子電導率高,容易成膜,最先實現(xiàn)了小規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。
目前量產(chǎn)聚合物固態(tài)電池中聚合物電解質(zhì)的材料體系是聚環(huán)氧乙烷(PEO),
室溫電導率一般在 10^(-5) S/cm。
PEO 的氧化電位在 3.8 V,鈷酸鋰、層狀氧化物、尖晶石氧化物等高能量密度正極難以與之匹配,需要對其改性;其次,PEO 基電解質(zhì)工作溫度在 60~85℃, 電池系統(tǒng)需要熱管理;再次,倍率特性也有待提高。
目前聚合物室溫電導率較低以及較低的電壓其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍有限制。
氧化物固體電解質(zhì)按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩類,晶態(tài)電解質(zhì)包括鈣鈦礦型、NASICON型(Na快離子導體)、石榴石型、LISICON型等,玻璃態(tài)(非晶態(tài))氧化物的研究熱點是用在薄膜電池中的 LiPON 型電解質(zhì)和部分晶化的非晶態(tài)材料。
氧化物晶態(tài)固體電解質(zhì)化學穩(wěn)定性高,部分樣品可以在 50C 下工作, 循環(huán) 45000 次后, 容量保持率達95%以上。
氧化物的低室溫電導率是主要障礙,目前改善方法主要是元素替換和異價元素摻雜。
LiPON 是全固態(tài)薄膜電池的標準電解質(zhì)材料,并且已經(jīng)得到了商業(yè)化應用。
7. 硫化物電導率最高,是未來主要方向
硫化物主要包括 thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3等,室溫離子電導率可以達到10-3~10-2 S/cm,接近甚至超過有機電解液,同時具有熱穩(wěn)定高、安全性能好、電化學穩(wěn)定窗口寬(達5V以上)的特點,在高功率以及高低溫固態(tài)電池方面優(yōu)勢突出。
相對于氧化物,硫化物由于相對較軟,更容易加工,通過熱壓法可以制備全固態(tài)鋰電池,但還存在空氣敏感,容易氧化,遇水容易產(chǎn)生硫化氫等有害氣體的問題。
8. 電極材料:固固界面問題
電解質(zhì)由液態(tài)換成固體之后,鋰電池體系由電極材料-電解液的固液界面向電極材料-固態(tài)電解質(zhì)的固固界面轉(zhuǎn)化,固固之間無潤濕性,界面接觸電阻嚴重影響了離子的傳輸,造成全固態(tài)鋰離子電池內(nèi)阻急劇增大、電池循環(huán)性能變差、倍率性能差。
正極材料一般采用復合電極,除了電極活性物質(zhì)外還包括固態(tài)電解質(zhì)和導電劑,在電極中起到傳輸離子和電子的作用。
負極材料目前主要集中在金屬鋰負極材料、碳族負極材料和氧化物負極材料三大類,其中金屬鋰負極材料因其高容量和低電位的優(yōu)點成為全固態(tài)鋰電池最主要的負極材料之一。
9. 工藝路線:基于目前電池工藝改進
相對液態(tài)電池而言,性能更先進的固態(tài)電池結(jié)構(gòu)更簡單,核心構(gòu)件正極、負極、固態(tài)電解質(zhì)。
至于生產(chǎn)成本,目前遠超三元、磷酸鐵鋰等主流電池,但隨著產(chǎn)業(yè)化的進程,憑借結(jié)構(gòu)簡單這一天然優(yōu)勢必會使制造成本低于目前主流電池。
10. 技術路線:半固態(tài)→準固態(tài)→全固態(tài)
將已出現(xiàn)的跟固態(tài)鋰電池相關的概念進行了梳理,并進行總結(jié)。
液態(tài)/凝膠態(tài)鋰電池:電芯在制造過程中不含有固體電解質(zhì),只含有液體/凝膠電解質(zhì)的鋰電池。
半固態(tài)(Half solid)鋰電池:電芯電解質(zhì)中,液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<10%。
準固態(tài)/類固態(tài)(Nearlysolid)鋰電池:液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<5%,液體電解質(zhì)的質(zhì)量或體積小于固體電解質(zhì)的比例。
全固態(tài)(All Solid)鋰電池:電芯由固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)材料構(gòu)成,不含有任何液體電解質(zhì)。
總結(jié)而言,鋰電池根據(jù)電解質(zhì)不同可以分為液態(tài)、半固態(tài)、準固態(tài)、全固態(tài)四大類,后三種可統(tǒng)稱為固態(tài)電池。
2017 年,關于固態(tài)鋰電池分別有 1198 篇文獻與 117 篇專利,其中 1096 篇文獻集中在金屬鋰負極、固態(tài)電解質(zhì)以及固態(tài)電解質(zhì)與正負極界面等基礎問題研究。
在固體鋰電池方面中國發(fā)表的文章數(shù)量占據(jù)第一位,國際發(fā)明專利方面日本占據(jù)一半以上,其中豐田以 26 篇占據(jù)了第一位。
豐田專利集中在對硫化物體系固態(tài)電解質(zhì)進行研究,以提高電池的能量密度、電導率、循環(huán)壽命、安全性能等性能。
13. 固態(tài)電池:50 年歷史,50 多家研發(fā)團隊
目前,全球范圍內(nèi)約有 50 多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高校科研院所致力于固態(tài)電池技術。
法國 Bollore
聚合物固態(tài)電解質(zhì)領域領軍企業(yè),全球首個固態(tài)電池電動車商業(yè)化的公司
早在2011年10月,Bolloré就開始利用自主開發(fā)的電動汽車“Bluecar”和電動巴士“Bluebus”在法國巴黎及其郊外提供汽車共享服務“Autolib”,幾年來已累計投入了 3000 輛搭載 30 kWh的由 BatScap 制造的固態(tài)電池。
正極材料采用 LFP 和 LixV2O8,負極材料采用金屬鋰,電解質(zhì)采用聚合物(PEO等)薄膜,但其能量密度僅為 100 Wh/kg,而且工作溫度要求 60~80℃,必須持續(xù)性將電動車電池加熱至 60°C 以上來維持電池內(nèi)部的導電能力。
英國戴森+美國Sakit 3
美國 Sakti3 是全球氧化物固態(tài)電池龍頭
2008 年,密歇根大學工程學教授瑪麗·塞思特里創(chuàng)辦了 Sakti3,塞思特里致力于電池技術的研究已有 20 年,并且擁有 70 余項專利。
2015 年 10 月,被真空吸塵器創(chuàng)新者戴森以 9000 萬美金的價格全資收購,以解決應用在其產(chǎn)品中的可充電鋰離子電池續(xù)航時間不夠長、安全性有限的問題。
Sakti3 目前存在的最大問題是其采用薄膜沉淀工藝的制造技術,簡而言之就是將薄膜進行一層層的堆積。這就造成其成本居高不下,且在未來降低成本的可能性也不算太大。
日本 38 家機構(gòu)聯(lián)合研發(fā)全固態(tài)鋰電池,豐田是龍頭
2018 年 4 月,日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省與日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)宣布啟動新一代高效電池“全固體電池”核心技術的開發(fā)。該項目預計總投資 100 億日元(約合 5.8 億元人民幣),豐田、本田、日產(chǎn)、松下等 23 家汽車、電池和材料企業(yè),以及京都大學、日本理化學研究所等 15 家學術機構(gòu)將共同參與研究,計劃到 2022 年全面掌握全固態(tài)電池相關技術。
豐田是現(xiàn)階段硫化物固態(tài)電池龍頭
2010 年,豐田就推出了硫化物固態(tài)電池,2014 年有消息稱,豐田實驗原型固態(tài)電池能量密度已達400 Wh/kg。
2017 年 2 月,豐田固態(tài)電池專利數(shù)量已達 30 件,遠超其它企業(yè)。
2017 年 10 月,豐田宣布投入200余人加速研發(fā)固態(tài)電池技術。同年 12 月,豐田聯(lián)合松下對外宣布,將聯(lián)合開發(fā)全固態(tài)電池。
15. 國內(nèi)五小龍:CATL、江蘇清陶、珈偉股份、贛鋒鋰業(yè)、北京衛(wèi)藍
CATL
CATL 以硫化物電解質(zhì)為主要研發(fā)方向,采用正極包覆解決正極材料與固態(tài)電解質(zhì)的界面反應問題,采用熱壓的方式增強了電解質(zhì)和電極材料之間的接觸,降低了界面電阻,通過對硫化物進行改性,增強了其熱穩(wěn)定性。
目前容量為 325 mAh能量密度為 300 Wh/kg 的聚合物鋰金屬固態(tài)電池 300 周循環(huán)以上剩余82%。
清陶
清陶發(fā)展由清華大學南策文院士團隊投資創(chuàng)辦,2002 年開始研發(fā)固態(tài)鋰電池;2006 年研發(fā)的 LLTO 固態(tài)電解質(zhì)材料展示出了優(yōu)異的性能;2010 年開發(fā)的石榴石結(jié)構(gòu) LLZO 固態(tài)電解質(zhì)材料工藝成熟。
2018 年 5 月展示了即將量產(chǎn)的清陶固態(tài)電池高安全性測試視頻
珈偉股份
國珈星際是珈偉股份的子公司,技術路徑是以第二代聚合物鋰離子導體作為固態(tài)電解質(zhì),以三元材料或磷酸鐵鋰等作為正極,以石墨作為負極。
2018 年 7 月,36Ah 類固態(tài)軟包三元材料動力鋰離子蓄電池通過國家機動車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心強制性檢驗,能量密度達到了 230 WH/kg,循環(huán)次數(shù)達 4000 次,72v 系統(tǒng)可用在電摩上,價格大約 1.5 元/wh。
贛鋒鋰業(yè)+中科院材料所
2017 年 8 月 18 日,贛鋒鋰業(yè)引入許曉雄博士(科技部新能源全固態(tài)鋰離子儲能電池負責人)等一批中科院的技術團隊。
2017 年 12 月 5 日,贛鋒鋰業(yè)(002460)發(fā)布公告,將設立全資子公司浙江鋒鋰,以自有資金不超過 2.5 億元投資建設一條年產(chǎn)億瓦時級的第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線,項目建設期 2 年。
2018 年 6 月 30 日,第一代固態(tài)鋰電池技術指標達到:單體容量 10Ah,能量密度不低于 240 Wh/kg,1000 次循環(huán)后容量保持率大于 90%,電池單體具備 5C 倍率的充放電能力,同時電池研制品通過第三方機構(gòu)安全檢測。
北京衛(wèi)藍+中科院物理所
2016 年 8 月,北京衛(wèi)藍新能源成立,依托中國科學院物理研究所,專注于下一代固態(tài)鋰電池研發(fā)與生產(chǎn)。
目前,北京衛(wèi)藍已經(jīng)研發(fā)并掌握了固態(tài)電池技術領域的多項關鍵性技術,包括金屬鋰表面處理、原位形成SEI膜技術、固態(tài)電解質(zhì)、鋰離子快導體制備技術以及高電壓電池集成技術、陶瓷膜優(yōu)化技術和集流體解決方案。
固態(tài)電池商業(yè)化條件如下:
1)正極材料LFP、NCM、富鋰等產(chǎn)業(yè)化
2)負極材料硅碳、金屬鋰產(chǎn)業(yè)化
3)固態(tài)電解質(zhì)聚合物、硫化物、氧化物成熟
4)界面問題解決
我們認為,2020 年前采用高鎳正極+準固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負極實現(xiàn) 300 Wh/Kg,2025 年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負極電池實現(xiàn) 400 Wh/Kg,2030 年前采用燃料/鋰硫/空氣電池實現(xiàn) 500 Wh/Kg,核聚變電池是人類社會終極能源方式。