在张卫新看来,针对新型化学储能技术领域对高安全性、长寿命锂二次电池的发展需求,发展大容量全固态锂电池前沿技术刻不容缓。

合肥工业大学二级教授、博士生导师、化学与化工学院副院长张卫新

合肥工业大学化学与化工学院副院长张卫新

电池百人会-电池网2月27日讯(陈语 峦水 图文直播)传统锂离子电池系统采用液体电解质,存在着易泄露、易腐蚀、安全性差与可靠性低等问题,同时也极大限制了锂电池向高能量密度的发展,不能完全满足规模化工业储能在安全性方面的要求。 

“全固态锂离子电池使用固态电解质,不易燃、无腐蚀、不挥发泄露,具备固有安全性与更长的使用寿命。”合肥工业大学化学与化工学院副院长张卫新表示,“合理的规划布局将有利于我国抓住固态电池迅猛发展的机遇, 促使传统电池尤其是动力电池企业加速转型,在新能源汽车产业领域实现突破。”

2月27日,在固态电池技术、智能装备与市场应用研讨会上,张卫新发表了题为《全固态锂离子电池的研发进展》的主题演讲,分享了全固态锂离子电池的研发背景、工作原理、研发进展、产业化现状、产业化前景等。

“近几年锂离子电池燃烧爆炸的新闻层出不穷,安全性问题急需关注。”张卫新认为,为了从根本上解决锂电池的安全性问题,提高其能量密度,将可燃易爆的有机电解液全部替换为本身不易燃、热稳定性好的固体电解质是非常有效的解决方案。

此外,按照《中国制造2025》确定的技术目标,2020年锂电池能量密度达到300W·h/kg,2025年能量密度达到400W·h/kg,2030年能量密度达到500W·h/kg。基于高镍三元+硅碳负极材料,现有体系的锂电池能量密度很难突破300W·h/kg。

张卫新表示,电解质材料是全固态锂离子电池技术的核心,电解质材料很大程度上决定了固态锂电池的各项性能参数,如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命。相对于传统的锂离子电池,全固态锂离子电池最明显的变化是其电解质由原来的电解液变为了固态的电解质,使得电池体积大大降低,能量密度也得到提升。

在张卫新看来,针对新型化学储能技术领域对高安全性、长寿命锂二次电池的发展需求,发展大容量全固态锂电池前沿技术刻不容缓。

目前,固态锂电池由于其优异的能量密度和安全性,吸引法国Bollore、美国Sakti3、丰田、宁德时代、清陶、国轩高科、珈伟股份、赣锋锂业、北京卫蓝等国内外能源厂商纷纷布局。

关于固态电解质的研究进展,张卫新介绍,固态电解质可分为无机固态电解质、聚合物固态电解质以及其他固态电解质。

聚合物固态电解质主要分为PEO(聚环氧乙烷)基体系、聚碳酸酯基体系、聚硅氧烷基体系与聚合物锂单离子导体基体系,其优点是高温性能好,并率先实现商业化,但工作温度较高,需要专门的热管理系统,成本较高,负极表面有磷酸盐保护层(成本极高),电池系统能量密度没有明显的优势(~130W·h/kg),功率密度较低。研究方向主要为将PEO与其他聚合物共混、共聚或交联,或添加无机颗粒形成有机—无机杂化体系,提升核心能力。法国Bollore旗下的BatScap研发的聚合物固态电池已投入商业化使用,规格是30kW·h。目前这种Bluecar已有近4000辆。

无机固态电解质包括氧化物电解质和硫化物电解质。

氧化物电解质主要分为晶态(LISCON结构、NASICON结构、钙钛矿结构与石榴石结构)与非晶态,其优点是循环性能良好,化学稳定性高,适用于薄膜柔性结构,缺点是低室温电导率。研究方向主要为元素替换与异价元素掺杂来提升电导率。

硫化物电解质主要分为二元体系(Li2S和P2S5)与三元体系(Li2S、P2S5与MS2,M=Si、Ge、Sn),其优点是电导率最高,是未来主要方向,但制备与使用环境要求苛刻,对金属锂与氧化物正极均不稳定。研究方向主要为降低合成成本,引入多元素掺杂。

但是,目前全固态锂离子电池也面临着挑战,包括离子电导率低、界面阻抗大、制备成本高等。

电解质由液态换成固体之后,锂电池体系由电极材料—电解液的固液界面向电极材料—固态电解质的固固界面转化,固固之间无润湿性,界面接触电阻严重影响了离子的传输,造成全固态锂离子电池内阻急剧增大、电池循环性能变差、倍率性能差。

张卫新表示,目前主要解决方案有:金属锂保护、聚合物电解质改性以及锂合金、粉末锂电极、泡沫锂电极等。

固态锂电池正极材料一般采用复合电极,除了电极活性物质外还包括固态电解质和导电剂,在电极中起到传输离子和电子的作用。聚合物的离子传输是通过无定形区域的链段运动实现的。为了提高链段的活动性,一般通过加入填料或与其他聚合物单体共聚合等方式,以提升材料的离子导电率。

负极材料目前主要集中在金属锂负极材料、碳族负极材料和氧化物负极材料三大类,其中金属锂负极材料因其高容量和低电位的优点成为全固态锂电池最主要的负极材料之一。

(以上内容未经发言者本人审阅,仅供参考。) 

固态电池技术、智能装备与市场应用研讨会

【固态电池技术、智能装备与市场应用研讨会】

2月27日,由电池网(微号:mybattery)、电池百人会(CBHA)、中关村新型电池技术创新联盟联合湖南省宁乡市人民政府、宁乡高新技术产业园区管理委员会、湖南省先进电池材料及电池产业技术创新战略联盟共同举办的固态电池技术、智能装备与市场应用研讨会顺利召开,来自产学研各界的精英新年首聚湖南宁乡,怀着对新电池技术的美好期待,共议固态电池专利掌控、技术瓶颈、配套装备、市场应用等,探索下一代电池技术前行之路。

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