固态电池将成主流趋势 企业加速布局

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近年来,动力电池起火爆炸事故频发,据锂电大数据统计,2016年共发生50起锂电池起火爆炸事件。提高电池的安全性能一直是锂电人孜孜追寻的课题,而此时,兼具安全性和高续航优势的固态电池逐渐走进大家的视野。

据美国媒体Autoblog最新消息,丰田计划于2020年用固态电池取代锂电池,其能量是锂电池的三到四倍。丰田负责材料工程的高管Shigeki
Suzuki表示,丰田将于2020年全面实现全固态电池商业化,并在未来几年内使用锂空气电池。但他并未提供任何该计划的细节信息。

丰田公司在电动车研发领域一直处于领先地位,其在2012年推出了RAV4纯电动版车型,但该车由于受最大续航里程的限制而难以满足较远距离的行程。近日丰田负责材料工程的高管Shigeki
suzuki表示:丰田将研发全新固体电池以替代现用锂离子电池,能量至少为锂离子电池能量的3倍。未来RAV4纯电动版在使用固体电池后其最大续航里程将提高至500公里。

液态锂电池安全性亟待提升

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丰田研发全新电池技术 替换锂电池

液态锂电池已成为当下最为成熟且使用最广泛的技术路线,但其安全性问题却成为业界当前迟迟攻克不下的难题。据锂电大数据统计,2016年共发生了50起锂电池起火爆炸事件,锂电池起火爆炸事故频发为我们敲响警钟——锂电池安全性能亟待提升。

丰田RAV-4电动车

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锂电池为何频频起火?究其原因还是电池内部的活性物质及电解液发生反应,温度过高失控导致。固态电池中不含可燃的液体电解质,这一特性能够极大地改善电池的安全性。中国科学院物理研究所研究员李泓曾表示,在未来,很多电池形态将以全固态形式出现,包括金属锂、锂硫和锂空气电池,为提高安全性未来大体策略就是固态化。

丰田从来都对锂电池不甚恭维,仅在丰田RAV4电动版和丰田普锐斯V使用这种电池,而镍金属氢化物电池多年来在丰田混合动力汽车生产中扮演着重要的角色。

目前丰田正在研发全新电池以解决锂电池续航不足的问题,而采用全固体电池正是目前研发的项目之一。相比丰田电动车型所使用的锂离子电池而言全固态电池拥有显而易见的优势,首先锂离子电池中的液体存在不稳定因素,与之相反固态电解质则非常稳定;其次固体电池不但体积小同时电容量大,而且造价也相对低廉。

固态电池能量密度提升2倍

全固态电池、锂空气电池和镍氢电池、锂电池相比体积小,采用比锂离子更便宜的金属稀土。

电动RAV4采用新电池 续航里程增3倍

续航里程问题始终是限制纯电动车普及的关键因素之一,而电池续航里程的长短在很大程度上取决于电池储能能力即单位体积的能量密度。当工作电压只能在固定区域内,要提升电池能量密度,只能依靠对电极材料的能量密度提升。目前现有锂电池正极材料一般有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等,而负极材料一般为石墨、硬/软碳、钛酸锂以及合金负极材料,这些材料的可挖掘空间已经并不大。所以,要大幅提升锂电池的续航里程,除非在电极材料上能找到新的替代品。此时,与液态锂电池相比能量密度提升2倍的固态电池脱颖而出。

全固态电池的优势显而易见。铃木表示,锂离子电池中的液体电解质被固态物质所取代,其优势在于稳定和高效,将更高的电压压缩到更小的空间里。几年来,丰田一直为全固态电池而努力。通过内置这种电池,丰田可在汽车市场上领先竞争对手
Sakti3和Planar Energy。

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从理论的提出时间来看,固态电池并不是一个新的概念。此前,中国工程院院士陈立泉专门就固态电池的技术发展状况及其优越性能进行了阐释,并提出,固态电池中不含可燃的液体电解质,这一特性能够极大地改善电动汽车的安全性,因此他建议应大力支持固态电池的研究、开发和产业化。如果能量密度进一步提高,大于500瓦时/公斤的话,从现在开始就要考虑固态锂电池体系探索研究。

锂空气电池负极采用可以与氧产生作用的物质,密度比目前锂离子电池更高。

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固态电池受到科研界广泛关注

Shigeki
Suzuki表示,丰田的目标是发明出与汽油能源密度相近的电池。通常说来这些电池的能源密度中仅为一缸汽油的1/50,因此锂电池的使用范围有限。尽管全固态电池和锂空气电池还有很长的路要走,但丰田寻找纯电动车发展之道就在其中。

续航里程不足始终是限制纯电动车型得到普及的关键因素之一,原因在锂电池中能源密度(指一定的体积或质量内储存能量的大小)仅为汽油的1/50,而固体电池则相对提高了3—4倍。采用全新研发的固体电池后将使RAV4电动版的续航里程增加至少3倍达500公里以上,其将首次达到普通汽油车型的行驶里程。

固态电池或将成为下一步电池发展的主流方向。但固态电池还面临生产工艺待提高、成本待下降的发展瓶颈,为此科研界为此进行大量研发工作。

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由美国前密歇根大学工程学教授玛丽˙塞思特里创办的Sakti3研发出了一种使用平板电视与太阳能面板制造技术制成的固态锂电池,这种电池因采用“薄膜沉积技术”,使其造价仅为目前锂电池造价的五分之一,然而能量密度却是锂电池的两倍。

相比RAV4普通车型上搭载的2.0L与2.4L引擎,RAV4电动版所采用电动机输出功率并不逊色,最大输出功率可达115Kw比2.0L汽油发动机还高出5Kw,未来采用全新电池解决续航里程不足的问题后,将迎来更多消费者的青睐。

2016年9月,中科院青岛生物能源与过程研究所研发出高能量密度、高性能全固态锂离子电池,已通过11千米全海深模拟压力仓循环压力测试,将来有望成为“蛟龙号”等全海深深潜器的理想能量动力。该新型全固态电解质膜的电化学窗口可高达4.6V,电解质热稳定温度至少能达到200℃,当这种电解质用于全固态锂离子电池时,经过1000次的充放电长循环,仍保持92%的容量。即使当研究人员对这种固态电池进行切角和穿钉测试时,它仍然可以正常地进行充放电。另外,研发团队开发出一系列综合性能优异的全固态聚合物电解质,将锂电池的能量密度提高了两倍,电动车的续航里程有望提高到450公里以上,应用前景极其广阔。

随着人们能源节约和环境保护意识的不断提高,越来越多的消费者陆续开始关注纯电动车型。目前锂电池成本较高是纯电动车价格居高不下的因素之一。而在丰田全固态电池量产后,将会带来纯电动汽车价格的大幅下降,届时丰田将有望推出更多的纯电动车型,在增强其电动车市场竞争力的同时也使消费者拥有更多低碳环保的购车选择。

瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员们,通过石榴石作为电解质,使得固态电池电极和电解质之间的接触面积放大,从而实现了固态电池充电速度加快的效果,并且够承受100℃的高温。

美国SunCulture
Solar则将固态电池技术应用到储能领域中,其开发的新型一体化太阳能电池板,内置有固态低压电池,并与逆变器无缝集成。这种完全一体化的产品设计,可将太阳能安装和储能总成本降低50%以上。

美国国家航空航天局在与迈阿密大学合作,研制一种新型固态锂电池。这种固态电池的体型比传统锂电池更小,可以用在“立方体卫星”等微型卫星上。

今年1月,北京大学化学与分子工程学院高分子科学与工程系范星河教授/沈志豪副教授及其研究团队成功研发出了一种新型、具有高温稳定性的锂电池固态聚电解质膜,有望打破现有锂离子电池固态电解质研究、产业格局。

企业发力固态电池

固态电池由于其高安全性、高能量密度和长寿命等优势,成为下一步电池发展的主流方向。近年来,国内外众企业纷纷布局发力固态电池领域。

戴森公司

2016年8月英国戴森公司14亿美元投建固态电池厂。公司曾在2015年以9000万美金收购固态电池企业Sakti3,并表示将会投资近10亿美元生产固态电池。2015年,Sakti3声称已制造出能量密度达每公升1.1千瓦时的电池,这一能量密度要比锂离子电池的高大约50%,电池蓄电量是特斯拉现在使用的锂电池的两倍。

丰田

丰田也在开发全固态电池,目前其实验原型产品可达到400瓦时/升的体积能量密度。早在2010年,丰田就曾推出过续航里程可超过1000KM的固态电池。据悉,丰田研发的全固态电池可在2025年实现商业化。

松下

松下全新研发的固体蓄电池中能量密度相对提高了3至4倍。据悉,固体松下蓄电池后将使RAV4电动版的续航里程增加至少3倍达500公里以上,其将首次达到普通汽油车型的行驶里程。

苹果公司

自2012年来,苹果公司就开始积极布局全固态电池技术的专利,期待能把这种新型电池用在iPad、MacBook等设备及以后将要开发的柔性电子设备上。2015年11月份,美国专利商标局公布了苹果公司一项与固态电池充电技术相关的新专利——便携设备的固态电池充电技术。

珈伟股份

2016年11月15日,珈伟股份在上海举办全球首例固态锂电池与快充锂电池产品发布会,专家介绍并演示了两个新产品的性能。珈伟股份表示,未来将全力加速固态锂电池与快充锂电池的合体,将更深一层的安全保障与超强性能合二为一。若未来能与更多电动汽车厂商合作,则极有可能推动颠覆性变革的产生。

博世

德国汽车零部件巨头博世,2015年收购美国电池公司“Seeo”。博世和Seeo然后与日本著名的GS
YUASA电池公司和三菱重工共同建立了新工厂,主攻固态阳极锂离子电池。

宁德时代

宁德时代在做固态电池之前对全球做固态电池的企业做了调研,目前该项目还处于早期阶段。宁德时代在研发过程中,也在关注固态电池的制造问题,固态电池整个制造工艺跟传统的锂离子的制造工艺不同,需要新的设备,新的工艺,所以宁德时代也同时进行工艺的研发。

天津新动源

今年1月,天津新动源科技发展有限公司与南京高新区智能制造产业园签订框架合作协议,建设总投资约30亿元10GWh新型固态锂电池项目。据悉,将在未来两年实现高比容量固态锂离子电池的产业化,预计5年后达到10GWh的产能。

辉能科技

台湾辉能科技推出一款采用软性电路板为基材的固态电池,其厚度可以达到惊人的2mm,相当于一小片口香糖的厚度,可以随意折叠弯曲,展开弄平整再进行使用。这么一块看似不起眼的电池,其容量可以达到1000毫安,而一个iPhone般大小的充电宝,其容量也就在5000毫安左右。

太阳2,宝马

宝马正在研发固态电池技术,将于2026年实现量产。这款新电池将使用固态电解质代替目前锂离子电池普遍使用的电解液,电池容量也将有15%-20%的提高。

小结

固态电池中不含可燃的液体电解质,能够极大改善电池的安全性,虽就目前看来,固态电池现在的制备技术成熟度还有待加强,仍处于推广发展期。但随着固态电池的应用价值日益受到重视,固态电池受到科研界广泛关注,国内外相关机构研发不断取得重大突破。相信未来固态电池产品的市场会迎来蓬勃发展的机遇,商业化可期。

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