• 張衛新:固態鋰電池是未來鋰電池極有希望的發展方向

    合肥工業大學二級教授、博士生導師、化學與化工學院副院長張衛新

    合肥工業大學二級教授、博士生導師、化學與化工學院副院長張衛新

    電池百人會-電池網2月27日訊(陳語 巒水 圖文直播)傳統鋰離子電池系統采用液體電解質,存在著易泄露、易腐蝕、安全性差與可靠性低等問題,同時也極大限制了鋰電池向高能量密度的發展,不能完全滿足規模化工業儲能在安全性方面的要求。 

    “全固態鋰離子電池使用固態電解質,不易燃、無腐蝕、不揮發泄露,具備固有安全性與更長的使用壽命。”合肥工業大學二級教授、博士生導師、化學與化工學院副院長張衛新表示,“合理的規劃布局將有利于我國抓住固態電池迅猛發展的機遇, 促使傳統電池尤其是動力電池企業加速轉型,在新能源汽車產業領域實現突破。”

    2月27日,在固態電池技術、智能裝備與市場應用研討會上,張衛新發表了題為《全固態鋰離子電池的研發進展》的主題演講,分享了全固態鋰離子電池的研發背景、工作原理、研發進展、產業化現狀、產業化前景等。

    “近幾年鋰離子電池燃燒爆炸的新聞層出不窮,安全性問題急需關注。”張衛新認為,為了從根本上解決鋰電池的安全性問題,提高其能量密度,將可燃易爆的有機電解液全部替換為本身不易燃、熱穩定性好的固體電解質是非常有效的解決方案。

    此外,按照《中國制造2025》確定的技術目標,2020年鋰電池能量密度達到300W·h/kg,2025年能量密度達到400W·h/kg,2030年能量密度達到500W·h/kg。基于高鎳三元+硅碳負極材料,現有體系的鋰電池能量密度很難突破300W·h/kg。

    張衛新表示,電解質材料是全固態鋰離子電池技術的核心,電解質材料很大程度上決定了固態鋰電池的各項性能參數,如功率密度、循環穩定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。相對于傳統的鋰離子電池,全固態鋰離子電池最明顯的變化是其電解質由原來的電解液變為了固態的電解質,使得電池體積大大降低,能量密度也得到提升。

    在張衛新看來,針對新型化學儲能技術領域對高安全性、長壽命鋰二次電池的發展需求,發展大容量全固態鋰電池前沿技術刻不容緩。

    目前,固態鋰電池由于其優異的能量密度和安全性,吸引法國Bollore、美國Sakti3、豐田、寧德時代、清陶、國軒高科、珈偉股份、贛鋒鋰業、北京衛藍等國內外能源廠商紛紛布局。

    關于固態電解質的研究進展,張衛新介紹,固態電解質可分為無機固態電解質、聚合物固態電解質以及其他固態電解質。

    聚合物固態電解質主要分為PEO(聚環氧乙烷)基體系、聚碳酸酯基體系、聚硅氧烷基體系與聚合物鋰單離子導體基體系,其優點是高溫性能好,并率先實現商業化,但工作溫度較高,需要專門的熱管理系統,成本較高,負極表面有磷酸鹽保護層(成本極高),電池系統能量密度沒有明顯的優勢(~130W·h/kg),功率密度較低。研究方向主要為將PEO與其他聚合物共混、共聚或交聯,或添加無機顆粒形成有機—無機雜化體系,提升核心能力。法國Bollore旗下的BatScap研發的聚合物固態電池已投入商業化使用,規格是30kW·h。目前這種Bluecar已有近4000輛。

    無機固態電解質包括氧化物電解質和硫化物電解質。

    氧化物電解質主要分為晶態(LISCON結構、NASICON結構、鈣鈦礦結構與石榴石結構)與非晶態,其優點是循環性能良好,化學穩定性高,適用于薄膜柔性結構,缺點是低室溫電導率。研究方向主要為元素替換與異價元素摻雜來提升電導率。

    硫化物電解質主要分為二元體系(Li2S和P2S5)與三元體系(Li2S、P2S5與MS2,M=Si、Ge、Sn),其優點是電導率最高,是未來主要方向,但制備與使用環境要求苛刻,對金屬鋰與氧化物正極均不穩定。研究方向主要為降低合成成本,引入多元素摻雜。

    但是,目前全固態鋰離子電池也面臨著挑戰,包括離子電導率低、界面阻抗大、制備成本高等。

    電解質由液態換成固體之后,鋰電池體系由電極材料—電解液的固液界面向電極材料—固態電解質的固固界面轉化,固固之間無潤濕性,界面接觸電阻嚴重影響了離子的傳輸,造成全固態鋰離子電池內阻急劇增大、電池循環性能變差、倍率性能差。

    張衛新表示,目前主要解決方案有:金屬鋰保護、聚合物電解質改性以及鋰合金、粉末鋰電極、泡沫鋰電極等。

    固態鋰電池正極材料一般采用復合電極,除了電極活性物質外還包括固態電解質和導電劑,在電極中起到傳輸離子和電子的作用。聚合物的離子傳輸是通過無定形區域的鏈段運動實現的。為了提高鏈段的活動性,一般通過加入填料或與其他聚合物單體共聚合等方式,以提升材料的離子導電率。

    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點成為全固態鋰電池最主要的負極材料之一。

    (以上內容未經發言者本人審閱,僅供參考。) 

    固態電池技術、智能裝備與市場應用研討會

    【固態電池技術、智能裝備與市場應用研討會】

    2月27日,由電池網(微號:mybattery)、電池百人會(CBHA)、中關村新型電池技術創新聯盟聯合湖南省寧鄉市人民政府、寧鄉高新技術產業園區管理委員會、湖南省先進電池材料及電池產業技術創新戰略聯盟共同舉辦的固態電池技術、智能裝備與市場應用研討會順利召開,來自產學研各界的精英新年首聚湖南寧鄉,懷著對新電池技術的美好期待,共議固態電池專利掌控、技術瓶頸、配套裝備、市場應用等,探索下一代電池技術前行之路。

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      【責任編輯:趙卓然】
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