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    固態電池為何成為“新寵兒”?

    發布日期:2020-11-06

    核心提示:近年來,伴隨著電動汽車的興起,以及可再生能源發電對大規模儲能裝置的迫切需求,鋰電池的研究再度升溫,開發安全、大容量、大功
    近年來,伴隨著電動汽車的興起,以及可再生能源發電對大規模儲能裝置的迫切需求,鋰電池的研究再度升溫,開發安全、大容量、大功率和長壽命的二次鋰電池成為焦點。
    在越來越多的儲能技術中,電化學儲能技術,即電池的使用受到人們越來越多的關注。電池儲能具有高效、規模可調的特點,既可整合于電力系統作為能量儲存單元,起到對電網削峰填谷的作用,提高電網運行的的可靠性和穩定性,也可用于移動通訊、新能源汽車等領域,為人類生活質量的提高提供源源不斷的能量支持。
    二次電池的發展經歷了從早期的鉛酸電池,到后來的鎳鎘、鎳氫電池,再到現在已商用化的二次鋰離子電池和用于電網儲能的鈉-硫電池等。鋰電池以鋰元素作為能量運輸的存儲介質,鋰元素質量輕和氧化還原電位低的特點,使鋰離子電池可獲得比其他類型電池更高的輸出電壓和能量密度。因此,自1991年索尼公司推出第一款商用二次鋰離子電池以來,鋰電池在全球范圍內迅速普及,成為許多便攜式電子產品的首選的電源類型。
    近年來,伴隨著電動汽車的興起,以及可再生能源發電對大規模儲能裝置的迫切需求,鋰電池的研究再度升溫,開發安全、大容量、大功率和長壽命的二次鋰電池成為焦點。
    車用動力電池,除需要滿足長續航里程和大功率充放電的要求外,安全性尤為重要。目前商用的鋰離子電池,在短路情況發生時會釋放大量熱量,會引燃有機電液,產生爆炸隱患,即使是目前被認為最安全的特斯拉汽車,使用了復雜的電池管理系統和防護措施,仍在問世短短的幾年內發生多次著火爆炸事故。此外,有機電解液存在的問題包括:
    (1)電化學窗口有限,難以兼容金屬鋰負極和新研發的高電勢正極材料;
    (2)鋰離子并非唯一的載流子,在大電流通過時,電池內阻會因離子濃度梯度的出現而增加(濃差極化),電池性能下降;
    (3)工作溫度有限,安全工作溫度0~40℃;
    (4)與負極材料發生反應,生成SEI層,造成2種材料的持續消耗,使電池容量不斷下降。
    用固態電解質代替液體電解質是獲得高能量密度、安全性和長循環壽命的全固態電池的根本途徑。全固態電池可以避免液體電解質帶來的負效用,提高電池的安全性和服役壽命。因此,今年來固態電池研究成為鋰電池的熱門方向,那么固態電池的具體優勢有哪些呢?
    體積小
    實際上,體積能量密度對于電池來說是一個很重要的參數,如果就應用領域來說,要求從高到低是消費電子產品 > 家用電動汽車 > 電動公交車。通俗地講,如果體積能量密度高了,因此相同質量的電池才能做得更小。
    用固態電解質代替液態電解質,正負極之間的距離可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米,這樣電池的厚度就能大大地降低,因此全固態電池技術是電池小型化、薄膜化的必經之路。
    不僅如此,很多經過物理/化學氣相沉積(PVD/CVD)制備的全固態電池,其整體厚度可能只有幾十個微米,因此就可以制成非常小的電源器件,整合到MEMS(微機電系統)領域中。
    能夠制成體積非常小的電池也是全固態電池技術的一大特色,這可以方便電池適應各種新型小尺寸智能電子設備的應用,而在這一點上傳統的鋰離子電池技術是很難達到的。
    柔性化的前景
    全固態電池可以經過進一步的優化,變成柔性電池,從而帶來更多的功能和體驗。
    實際上,即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米級以下后經常是可以彎曲的,材料會變得有柔性。
    相應的,全固態電池在輕薄化后柔性程度也會有明顯的提高,通過使用適當的封裝材料(不能是鋼性的外殼),制成的電池可以經受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。
    實際上,以各種可穿戴設備為代表的柔性電子器件是下一代電子產品發展的重要方向,而這就要求該產品中的元件同樣需要具有柔性,因此柔性全固態電池是科研與工業界中,非常有前景的明日之星。
    不僅如此,功能化的全固態電池潛力遠不只以上的柔性電池,經過電池材料結構優化可以制成透明電池,或者是拉伸幅度可達300%的可拉伸電池,或是可以和光伏器件集成化的發電-存儲一體化器件等等--全固態電池所意味的功能上的創新應用前景還有很多,在這方面科研人員與工程師們的想像力會給我們帶來越來越多的驚喜。
    更安全
    作為一種能量存儲器件,實際上所有電池在熱力學實質上都不可能是絕對安全的。但是電池實際應用中的決定其真正安全性的因素是多方面的,影響因素包括電池的電極材料特性、電解液的性質,以及電子產品中的電池管理系統等。
    目前一般商用的鋰離子的安全性是大家關心的重點,在這里用“不夠理想”來評價現在電池的安全性,應該是一個比較合適的評價。
    能量密度高
    使用了全固態電解質后,鋰離子電池的適用材料體系也會發生改變,其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極,而是直接使用金屬鋰來做負極,這樣可以明顯減輕負極材料的用量,使得整個電池的能量密度有明顯提高。
    此外,許多新型高性能電極材料,可能之前與現有的電解液體系的兼容性并不好,但是在使用全固態電解質后該問題可以得到一定的緩解。
    綜合考慮到以上兩大因素,全固態電池相比于一般鋰離子電池,能量密度可以有一個較大幅度的提升:現在許多實驗室中,都已經可以小規模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池了(一般鋰離子電池是100-220Wh/kg)。
    從能量密度的數據上看,或許全固態電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。
    未來前景
    隨著固態電池的前景展現,各國也紛紛加快研發進程,爭取早日進入市場。日本的豐田、本田、日產、松下等23家企業合作探尋固態電池相關技術;韓國的三大蓄電池廠商LG化學、三星SDI和SK聯手開發核心電池;德國計劃撥發10億歐元用于支持德國的固態電池研究;中國寧德時代、比亞迪、蔚來、輝能、清陶、衛藍、贛鋒等大批科技公司及新材料公司進行固態電池的研發。
    固態電池市場這塊“大蛋糕”的“蛋糕胚”已經做好了,接下來需要解決的問題還很多,包括固態電池的成本偏高,制備工藝復雜且不成熟,不容易實現大規模商業化,另一方面,固態電池的倍率性能整體偏低,內阻較大,近期內實現快充有難度,所以固態電池還有一段路要走。

     
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