无人机电池的电解质为什么用全固态电解质的?

颠覆传统技术,固态电池成新宠
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日前,丰田及雷诺/日产/三菱联盟分别表示,目标在年间推出使用固态电池的电动车。就在去年年底,赣锋锂业也发布公告称将建设第一代固态锂电池研发中试生产线。
“兼顾高能量密度和高安全性的固态电池不仅是电池技术的一个终极目标,并且已经在全球范围内形成山雨欲来之势。”3月21日,恩力能源科技有限公司副总经理、CTO车勇博士告诉科技日报记者。
固态电池是指电池结构中不含液体,所有材料都以固态形式存在的储能器件,由“正极材料+负极材料”和固态电解质组成。由于固态锂电池具有安全性能好、能量密度高和循环寿命长等优点,是电动汽车理想的动力电池。
相对于有150年历史的铅酸电池而言,于1991年进入产业化的采用有机电解液的锂离子电池目前仍然是市场上最先进的电池。
“随着现代材料科学及制造技术的突飞猛进,‘后铅后锂’时代的电池技术已悄然而来。”车勇说,“不久的将来,固态电池将以坚实的步伐迈入我们的社会,改变我们的生活。”
车勇解释,固态电池拥有非常显著的优点,由于固态电解质取代了传统锂离子电池中可能燃爆的有机电解液,这解决了高能量密度和高安全性的两难问题,从而将消除电动车用户的“续航焦虑”,甚至可望实现快速充电。
迄今为止,经过科学家们的不断努力,固态电池技术应该说已经没有了不可逾越的技术瓶颈,但也仍然存在着技术难题有待解决。“固态电池的核心技术是达到高离子电导率的固态电解质材料技术以及实现低阻抗固—固界面的先进制造技术。”车勇进一步解释。在固态电解质材料方面,日本东京工业大学的菅野了次教授于2011年发明了室温下离子电导率&10-2S/cm(超越了传统有机电解液)的硫化物固态电解质。
车勇说,这一技术成为了目前在固态电池的产业化方面的龙头企业丰田汽车的技术基础。与硫化物固态电解质相比,氧化物固体电解质在高安全性及易生产性方面更具优势,但室温下离子电导率的提升仍是世纪难题。(记者 马爱平)
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上海市广东省
固态电池,为什么是电动汽车的理想电池?
[导读]在固态离子学中,固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。固态电池一般功率密度较低,能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高,所以它是电动汽车很理想的电池 。
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在固态离子学中,固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。固态电池一般功率密度较低,能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高,所以它是电动汽车很理想的电池
固态电池的成为突破的选择
电池的升级对于新能源汽车行业的重要性不言而喻,仅从市场最看重的成本而言,电池就占了整车成本的一半。新能源汽车其他的零部件技术已经成熟,想要据此大幅度降低成本几乎是不可能的了,那么想要降低价格以获得市场优势,就不得不在电池上想办法,可以说谁掌握了电池,谁就掌握了新能源汽车。在众多电池技术的研发中,固态电池被当成是下一个风口,众多企业纷纷投资研发,希望获得突破。
不久前,财政部、科技部、工业和信息化部、发展改革委联合发布了《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,其中明确规定了动力电池补贴&增加动力电池系统的质量能量密度要求,不低于90Wh/kg,对高于120Wh/kg的按1.1倍给予补贴。
而在四部委印发的《促进动力电池产业发展行动方案》中,更是明确了到2020年,锂离子动力电池单体要达到300Wh/kg,这对于动力电池来说绝非易事,而固态电池技术很可能是为数不多的有希望的解决方案。
固态电池的优缺点分析
前面有不少文章说过了固态电池的优缺点,在此笔者简单的再解释一下。
1、安全性能高。安全是最重要的,仅凭这一点固态电池就有了很大的优势。那么为什么固态电池安全性高呢?因为液态的电解质短路时,温度升高,将电解质点燃而发生爆炸。但固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题。
2、能量密度高。能量密度高主要是因为固态电解质一般拥有较宽的电化学窗口,就像一个个小框一样,因此可以装更多的高电压正极材料。加上固态电池体积小、稳定,可以让电池管理更为简化,能量密度自然会大大提高。
3、相对较轻。在传统锂离子电池中,隔膜和电解液加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量,而使用固态电解质自然就可以减小体积和质量。
4、循环性能强。固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象,大大提升了锂电池的循环性和使用寿命。
1、界面阻抗过大。固态电解质与电极材料之间的界面是固-固状态,因此电极与电解质之间的有效接触较弱,离子在固体物质中传输动力学低。
2、快充比较难。电池的阻抗、电导率等问题表现出来就是内阻大,就会阻碍充电,而且因为内阻大,在充电过程中会造成能量的损失,这部分能量的浪费是无法忽视的问题。
3、成本价格高。成本是阻止商业化的最大因素,没有利润,自然没有市场。固态电池制备工艺不够成熟,电池使用数据收集不全面。仅是在全固态电池的电解质制造,固-固界面优化这两个核心问题技术上的不成熟就足够让固态电池的成本居高不下了。
固态电池研究进展
不久前记者从青岛市科技局获悉,依托中科院青岛能源与过程研究所建设的青岛市太阳能与储能技术重点实验室创新造性地提出了&刚柔并济&聚合物电解质的设计理念,构建了复合电解质材料体系,制备出一系列综合性能优异的固态聚合物电解质体系,有效解决了聚合物电解质各项性能不能兼顾的难题,发展了新型的固态电解质关键材料体系。据悉,实验室开发的固态锂电池通过了国家深海基地管理中心的8000米和11000米压力舱第三方检测。
中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室研究员郭玉国课题组在金属锂负极、固体电解质及固态电池研究方面取得系列进展。研究人员提出并开发了一种原位处理技术,成功在金属锂表面形成具有高杨氏模量、快速锂离子输运能力的磷酸锂固体电解质界面膜,有效减少了金属锂与电解液的副反应,抑制了锂枝晶的生长,实现了金属锂/电解质界面的均匀调控,有效控制碳球表面金属锂枝晶的生长并大幅提高锂的利用率,在负极容量仅过量5%的条件下,电池仍能长期稳定循环。
2017年8月,日本日立公司的研究人员宣布,其固态电池技术已研发完成。日立正在与一个未公开的日本电池制造商合作,完善一些细节上的问题,并在2020年之前将固态电池投放市场。
2017年6月,丰田向美国提交的一份编号为的固态电池专利申请被公开。研究表明,该固态电池由硫化固态电解质和电极活性材料构成,其中,电解质材料的组成包括锂、磷、硫、碘等四种元素;正极材料则包含了一种磷酸酯。该磷酸酯在正极材料中的重量占比范围在1~30%不等。通过在正极材料中添加磷酸酯,该固态锂电池的热稳定性得以改善。7月,丰田表示,计划于2022年开始销售由全固态电池提供动力的电动车。
宁德时代研发经理郭永胜表示,宁德时代正在积极布局动力电池下一代技术,在固态锂电池方面的投入研发比较多,同时也在开发固态电池的制造工艺。
固态电池的时代已经到来
固态电池其实并不是多么新鲜的事物。早在2010年,丰田就一直在固态电池领域默默探索。但是一直没有起色,直到2016年12月份向美国专利局提交的固态电池专利终于获批,才一鸣惊人,博得各大版面的头条。中国工程院陈立泉院士也曾表示,如果现在还不布局全固态电池,将会错失发展时机。
北京理工大学电动车辆国家工程实验室、中国电工技术学会电动车辆专业委员会委员孙立清博士曾表示,固态电解质电池将是下一个风口,是新能源电池未来主要发展趋势。
美国麻省理工学院博士后王燕(音译)和材料与工程学教授格布兰德&塞达尔表示,固态电解质将是&一个真正的游戏规则颠覆者&,它将打造出一款完美的电池&&固态电解质电池,解决目前锂离子电池所面临的绝大多数问题,让电池的寿命、安全性以及成本之间实现最佳平衡。
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11 月 28 日,清陶发展在昆山召开了 " 锂电池产业发展论坛 "。 本次论坛以 " 全固态锂电池技术 " 为主题,旨在探索全固态技术的发展之路和市场演进之道。论坛上,到场嘉宾共同探讨了材料、器件、终端应用、市场状况等发展的新趋势。其中,南策文院士表示:" 清陶发展把实现全固态电池的产业化定为 2017 年的首要任务,重点解决材料匹配、装备升级、产品一致性等核心问题,力争于 2017 年 9 月推出第一批全固态锂电池产品。"清陶(昆山)能源发展有限公司由清华大学南策文院士团队创建,该团队是国内较早开展全固态锂电池技术研发的团队之一。清陶发展的子公司包括江苏清陶能源科技有限公司、清陶(昆山)自动化装备有限公司,后者专注于锂电池生产线的设计开发。2016 年,清陶发展成立了清陶(昆山)新能源材料研究院,目前清陶发展正从材料、器件、装备多个维度开展全固态锂电池产业化开发的工作。据亿欧了解,全固态锂电池是结构中不含液体,所有材料都以固态形式存在的储能器件。该体系摒弃了易燃易爆的危险化学品——电解液,具有能量密度高、可实现柔性 / 微型化、安全可靠等特点。在提升性能的同时,该技术将进一步扩展电池的应用领域。通过专访,清陶董事长冯玉川表示全固态电池有以下优势:优势一——高能量密度目前全固态电池的能量密度可达 400Wh/kg 以上,相较于传统锂电池(能量密度 100~220Wh/kg),有了一倍左右的提升。这意味着质量体积不变的前提下,该产品可将手机待机时间、无人机飞行时间和电动汽车续驶里程延长一倍。优势二——可实现柔性 / 微型化由于没有电解液,全固态电池的封装工艺大幅优化,电池脱离了刚性外壳和尺寸的束缚。全固态电池、柔性显示技术、柔性电路板技术的协同,将实现电子产品的可任意弯曲、折叠。同时,电池的微型化将给半导体工业等领域带来一场新的变革。电池将成为集成电路中的基本单元,电子器件就有了强劲的 " 心脏 "。优势三——安全可靠全固态电池用陶瓷固态电解质材料替代了电解液,从根本上杜绝了安全隐患,可以承受切割、撞击、钉刺、挤压等最严苛的安全考验。真正意义上的全固态电池可以同时实现以上三个特点,有别于聚合物电池、薄膜电池、凝胶电池等概念,是目前学术和产业界公认的未来发展方向,包括博世、丰田、东芝、苹果等知名企业都在这个领域有所布局。冯玉川还预计清陶锂电池将在 2017 年实现量产,会根据用户需求提供电池方案,量产化产品将以自动化装备和部分人工的形式进行。另外,在圆桌论坛《我们需要什么样的电池》上,北汽集团新技术研究院副院长荣辉、广汽集团广汽研究院研究员梅骜就汽车需要什么样的电池进行了讨论。荣辉表示:" 随着国家对新能源汽车的补贴政策出台,很多企业开始着手做新能源汽车,汽车产业得到了发展,但是新能源车的整个销量和传统汽车销量相比,仍然还处于低水平增长阶段,其中,新能源汽车发展的最大障碍是锂电池,而且电池的安全性问题尤为重要,新能源车在 1 到 2 秒之间起火,瞬间失控,如果能改成固态电池,我认为对新能源车发展来说是很好的。至于充电时间长和能量密度低问题,可以有别的思路去解决,责任不一定完全放在锂电池;第二,我希望电池行业和汽车行业能有更深度合作,比如,我们可以一同考虑将电池放在什么位置,现在大部分新能源车,是将传统车改成新能源车,把发动机变速箱摘除加电池在里面,这不是一个好方式,特斯拉则放了电池盒子,现有阶段我不知道是否可行。那么固态电池有没有可能结合更深入一点,比如我把某些零件开放给你,你把电池芯做到零件里去,根据我的要求设计,你实际给我的是一个零件,这个零件里包括的是电池。这也为以后的更换电池提供了便利。"对此冯玉川表示:" 这可能是全固态的优势之一,因为之前我们为什么要把电池做成这么一个钢铁的外型,要保护起来,这很大的原因是电池没有办法实现比如说想设计到顶上或者其他位置,这可能是传统电池的另外一个问题。另外,梅骜介绍了广汽在新能源发展的路线问题,广车新能源汽车在
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固态电池商业化“只看到概念” 上市公司风口入局
固态电池商业化“只看到概念” 上市公司风口入局
每经记者 苏杰德 每经实习编辑 任芷霓  目前A股公司除了近期涉足固态电池的易成新能(300080,SZ),还有宣称已经造出首例全固态电池的珈伟股份(300317,SZ),以及2.5亿元建固态电池研发中试生产线的赣锋锂业(002460,SZ)。这3家涉足固态电池的公司,固态电池推进程度各不相同,虚虚实实让外界难以分辨。  《每日经济新闻》记者发现,固态电池以其安全性能高、能量密度高的潜力备受科研单位和公司关注,但是界面阻抗过大等技术问题导致难以商业化。长时间的研发和巨大的资金投入让很多电池企业望而却步。固态锂电权威研发机构人员对《每日经济新闻》记者坦言,“所谓的全固态只看到概念,却不知道性能;只听说安全,但没有安全性测试报告。”  上市公司“豪言”虚实难测  易成新能,赣锋锂业和珈伟股份3家公司都要制造固态电池,3家进度各不相同。  从企业已公布的专利申请、研发团队和股权奖励来看,赣锋锂业相比易成新能略显实际。技术方面,赣锋锂业已经真金白银地向中科院宁波所买了技术,去年9月,双方还展开了科技成果产业化合作。赣锋锂业2016年年报显示,公司获得了中国科学院宁波材料所5项授权发明专利。同时,公司全固态电池专利技术开发支出200万元。今年上半年,赣锋锂业用2767.35万元外购半固态电池中试研发技术。  12月6日,赣锋锂业拟投资不超过2.5亿元设立全资子公司,建设第一代固态锂电池研发中试生产线。从其公布的业绩考核指标来看,赣锋锂业相比易成新能目的性更加明确,比如明年6月目标是固态电池技术指标达到电池能量密度不低于240Wh/kg;2018年试制出第一代固态锂电池系列电芯;2019年底,第一代固态锂电池销售额超过3亿元人民币,第二代固态锂电池技术能量密度不低于300Wh/kg。  不过,赣锋锂业的目标与业内期望的固态电池的能量密度还有一些差距。根据国家汽车产业中长期发展规划,动力电池单体能量密度到2020年达到300Wh以上,力争实现350Wh。  与赣锋锂业不同,珈伟股份则去年11月就宣称发布全球首例固态锂电池与快充锂电池,今年底则宣称可以量产固态电池了。去年11月,有投资者在全景网问公司全固态电池采用何种电解质,公司却回答采用凝胶混合物。而这类材料实际属于液态锂离子电池范畴,这也被业界质疑为“类固态”并非全固态电池。 丰田:商业化时间未确定  对于固态电池商业化应用,从业公司也大多持谨慎态度。  以特斯拉为例,其采用的仍然是松下提供的液态电解质的动力电池,还没有使用固态电池的计划出来。国内方面,锂电行业龙头宁德时代在其招股说明中称,包括全固态锂电池、锂金属空气电池等下一代电池还无法商业化,主要制约因素包括原材料不稳定、技术未突破等方面。  就在珈伟股份去11月宣称发布全球首例固态锂电池之后,有投资者曾询问锂电行业上市公司横店东磁怎么看这种技术及前景。横店东磁称,“这种技术是前沿的,公司会组织人研发,但是这个技术也是未来的,现阶段由于工艺不成熟以及成本偏高问题,还有待调研和市场观察。”  横店东磁列出丰田汽车的例子:“2010年,丰田便推出过使用固态电池、续航力可达1000公里的电动车,还想在2020年将该技术商用化。丰田也曾公开表示过‘在克服技术障碍的前提下’,全固态电池在2025年可以实现商业化,比锂空气电池还可以提早5年。可是很快,丰田自己就把钱都砸到了氢燃料电池技术上,围绕氢制备和存储,建立了庞大的专利群。”  丰田中国相关工作人员告诉《每日经济新闻》记者,丰田固态电池在实验室阶段,不过已经取得突破。此外,丰田固态电池商业化时间是本世纪20年代早些时候,具体时间还未确定。  业界:只看到概念不知道性能  对于今年资本市场上出现的固态电池热,业内惊异的同时,大多数人士表示固态电池商业化为时过早。  伴随着全固态锂电池热的兴起,各种全固态或固态概念的锂电池相继出现,一时让投资者眼花缭乱。12月26日,中科院物理所研究员李泓在学术期刊撰文对固态电池进行了界定,“全固态锂电池,是一种使用固体电极材料和固体电解质材料,不含有任何液体的锂电池,主要包括全固态锂离子电池和全固态金属锂电池,差别在于前者负极不含金属锂,后者负极为金属锂。”  李泓在上述论文中称,全固态锂电池之所以会让国际巨头们看中,是因为它有望解决目前困扰动力电池行业的两大挑战——安全隐患和能量密度偏低问题。李泓告诉《每日经济新闻》记者,固态电池要想商业化,必须要有足够的技术储备和研发团队。他说,一种锂电池技术一般需要15年~18年的研发时间。  “一夜之间这么多开发固态电池的企业涌现,而且看上去进展都很神速,有点技术大跃进的味道。”真锂研究首席分析师墨柯告诉《每日经济新闻》记者。  从事锂电领域投资的劲邦资本合伙人王荣进向《每日经济新闻》记者表示,他接触过的研发人员大多对固态电池表示悲观,认为其短期内难以实现商业化。  李泓将目前固态电池商业化形容为“所谓的全固态只看到概念,却不知道性能;只听说安全,但没有安全性测试报告”。他称,从公开数据来看,固态电池还没有系统的数据公布,燃料电池就有电堆的大小、功率和寿命等系统数据。如果这些数据公开了,说明这个技术成熟了。  至于固态电池何时能够商业化,墨柯乐观地认为3~5年就可以实现,而李泓和王荣进则认为还需要大约7年。不过,李泓表示,固态电池投融资热,客观上促进了固态电池方向的研发,刺激了这个行业和领域,推动行业对固态电池的重视。 
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