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《日企TDK：固态电池能量密度实现100倍突破》

  • 来源专题：能源情报网监测服务平台
  • 编译者： 郭楷模
  • 发布时间：2024-06-18

  • 日本电子零部件公司TDK声称，其在小型固态电池的材料方面取得了突破，预计将显著提升无线耳机、智能手表等小型电子设备的性能。

    据介绍，这种新电池提供的能量密度(即可以压缩到给定空间的能量)为每升1000瓦时(Wh/l)，比TDK目前大规模生产的电池高100倍左右。

    该公司称，其竞争对手们也在推进小型全固态电池的开发，目前已有产品最高可提供50Wh/L 的能量密度。相比之下，使用传统液体电解质的可充电硬币电池可提供约400 Wh/l的能量密度。

  • 原文来源：https://www.nengyuanjie.net/article/92337.html
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  • 《固态电池再获重大突破！能量密度约为特斯拉4680电池两倍》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2022-10-17
    • 美国航空航天局（NASA）表示其研发的航空用固态电池取得了重大突破。 NASA在其官方网站介绍，NASA目前所研发成功的固态电池的能量密度达到了500Wh/kg，几乎是目前最好的电动汽车电池能量密度的两倍——特斯拉公司的4680锂电池的能量密度约为300Wh/kg。 2021年4月，NASA宣布其改进固态电池充电效率和安全性项目（e Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety，“SABERS”）部门将为电动飞机研发固态电池，相较于现有的液态电解质锂离子电池，其具有更高能量密度，电池体积更小，受到冲击后能够继续使用，风险也会更低。   据了解，NASA的固态电池为硫硒电池，其电解质材料利用廉价并易获得的硫，电池还利用了NASA此前研发的“多孔石墨烯”材料，导电性好，质量也较轻。由于固态锂电池没有液体电解液，因此降低了液体风险。此外，在电池的封装上，与普通锂离子电池单个封装不同，NASA的固态电池在单个外壳内将电芯堆叠在一起，这种方法使得电池重量减少了30%-40%。 “SABERS对电池的新材料进行了试验，这些材料在放电方面取得了显著进展。在过去的一年里，该团队成功地将电池的放电率提高了10倍，其后又提高了5倍，使研究人员距离为大型车辆提供动力的目标更近了一步。”NASA在其新闻稿中表示。 据介绍，电动飞机和NASA的先进空中机动项目将是新电池技术的主要受益者。 站上风口的固态电池 无独有偶，最近，另外一则关于固态电池的消息也引发了公众广泛关注。 据国内多家媒体报道，来自哈佛大学的华人教授李鑫与其学生叶露涵，研发的新型固态电池可重复使用1万次，充电速度最快3分钟，相较而言，目前最好的固态电池循环次数为2000—3000次。 两人于2021年5月发表在《自然》杂志上的相关论文介绍了这种新型固态电池的原理。研究者在论文中表示，其制备了一种具有界面稳定性的多层结构锂金属固态电池，从而实现了在超高电流密度下稳定循环且抑制枝晶渗透现象。 电池多层设计特点在于将不稳定的电解质夹在稳定的固态电解质之间，构成了“三明治”结构，且通过在不稳定的电解质层中实现裂纹良好的局部分解，抑制了任何锂枝晶的生长。   据上图所示，从左到右，“三明治”电池结构分布为锂金属负极→石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→单晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（镍锰钴811）正极。石墨介于锂金属负极和第一层固态电解质之间，主要用于隔热。据论文描述，夹在两边的第一层固态电解质为Li5.5PS4.5Cl1.5（LPSCI），特点在于对锂金属表现较为稳定，但容易发生锂枝晶穿透。它的存在能够稳定锂金属和石墨层的主要界面，并降低整体过电位。 夹在中间的第二层电解质为Li10Ge1P2S12（LGPS），对锂金属的稳定性较差，但不易发生锂枝晶穿透。中间的电解质可换成Li9.54Si1.74(P0.9Sb0.1)1.44S11.7Cl0.3(LSPS)，也能获得类似的性能表现。 锂枝晶可以穿过石墨和第一层电解质，但到达第二层电解质时被拦截。通常的锂金属固态电池反复多次充放电，陶瓷颗粒中会频繁产生微米或亚微米级裂纹。裂纹一旦形成，锂枝晶穿透及短路现象就难以避免。“三明治”中间的这层固态电解质，让锂枝晶无法刺穿整个电池，从而避免了电池正负极发生短路。 不仅在安全性上得以提升，该技术以锂金属作为负极，LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2作为正极构成展现了优异的循环性能。其在1.5C（0.64mAcm-2）和20C（8.6mAcm-2）的放电倍率条件下，循环2000次和10000次之后，容量保持率达到81.3％和82%。此外，电池的微米级正极材料能够实现110.6千瓦/千克的比功率和高达631.1瓦时/千克的比能量。 为了进一步推进对固态电池的研究，两名研究者已经成立了一家电池初创公司——Adden Energy，叶露涵担任首席技术官。据报道，今年，Adden Energy融资515万美元（约3570万元人民币）。 固态电池上车有何之难？   放眼全球，固态电池并不是一个全新的产物。传统的液态锂电池中，锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中，电池完成充放电过程。固态电池的原理与之相同，只不过其电解质为固态。 早在2017年，总部设在加州安纳海姆的美国电动汽车公司Fisker发布了一项固态电池专利，充电1分钟，续航800公里。创始人Henrik Fisker表示，该公司的固态电池会在2023年量产，价格只有传统锂电池的三分之一。然而2021年，Henrik Fisker表示，已彻底放弃固态电池计划。 目前，全球范围内唯一实现动力固态电池商业化的是法国博洛雷集团（Bollore Group）。2011年10月，博洛雷集团开始在其自主研发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”上搭载由BatScap制造的固态电池，共投入2900辆电动车。但这款固态电池包的容量只有30KWh，能量密度仅有110Wh/kg。 在业内人士看来，固态锂电池的产业化，从技术层面来看，依然存在不小的挑战。 首先是固态电解质的离子电导率较低，特别是在低温环境中。其次是电极—电解质的固固界面处的界面电阻大。此外，固态电池采用的预锂化硅碳负极或未来的金属锂负极、高镍正极、固态电解质等新材料，完全颠覆当前的液态锂电池体系，生产成本远高于目前对应的材料，降本之路极其艰巨漫长。 据了解，目前固态电解质材料有三种主流体系：聚合物，例如将六氟磷酸锂掺杂到PEO中；氧化物，如锂钢锆氧化物（LLZO），NASICON等；和硫化物，如LPSX(X=Cl,Br,I)。 这三种材料路线中，聚合物体系的优点是高温离子电导率高，方便加工。但它在室温下离子电导率极低，制约了其发展。例如法国博洛雷牌固态电池就选用了聚合物体系，为了让电动车能在室温下正常工作，博洛雷集团特意为每辆车配载了加热器，发动前将电池系统升温至60℃至80℃。 而氧化物体系的优点是综合性能佳，但电极之间的界面电阻高于聚合物体系。其中薄膜型产品对工艺技术要求苛刻，成本与规模化生产难度很大。非薄膜型产品是目前最可靠的电动汽车电池解决方案。 硫化物体系的优点是离子电导率堪比液态电解质，这也是日韩公司丰田、本田、三星和中国电池巨头宁德时代选择的技术路线。但硫化物体系的开发进度处于最初级，生产环境限制和安全问题是最大的阻碍，无法商业化量产的风险也最高。 尽管难度重重，然而，在追求未来锂电池能量密度和安全性的道路上，固态电池仍然被寄予了厚望。据了解，目前，全球范围内约有50多家制造企业、初创公司和高校科研院所在致力于固态电池技术的推进。 欧美方面，宝马集团2022年向总部位于美国科罗拉多州的固态电池初创公司Solid Power投资了1.3亿美元，计划2025年前推出搭载固态电池的原型车，2030年前实现量产。 梅赛德斯-奔驰公司今年与美国马萨诸塞州固态电池创业公司Factorial Energy达成了战略协议，将对其投资约10亿美元金额支持固态电池研发，并于2022年开始测试原型车，五年内实现小批量产。 大众集团在2018年向位于美国硅谷的固态电池初创公司公司QuantumScape注资1亿美元，2020年又追加2亿美元。今年，大众集团宣布会在2025年在其电动车辆上使用固态电池。 日韩方面，丰田公司在2008年就与固态锂电池创企伊利卡（Ilika）展开了合作，其计划在2025年推出采用固态电池的混合动力汽车。三菱、日产、松下等企业也都加速了固态电池布局。据了解，目前丰田公司拥有固态电池全球相关专利1331项，居全球第一，松下272项位居第二。 国内方面，蔚来汽车在去年1月9日的Nio Day上发布锂能量密度为150Wh/kg的固态电池，其计划2022年第四季度实现量产。宁德时代方面此前表示，公司第一代固态锂电池的能量与目前的锂离子电池大致相同，预计2025年推出，第二代固态电池有望在2030年后推出。除此之外，孚能科技、蜂巢能源、赣锋锂业等国内企业也都宣布了固态电池的布局。
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  • 《固态电池实现重大突破！企业争夺下一锂电技术制高点》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2021-01-02
    • 看好固态电池的前景，世界各国纷纷加快固态电池技术研发进度，来提前占领该市场。 　　12月8日，由大众和比尔·盖茨支持的初创公司QuantumScape公开其最新固态电池研究成果。数据显示，其电池可在15分钟内充满80%的电量，在续航里程为300英里或更高的车辆上搭载，正常使用寿命将达到12年左右。同时测试表明，该电池在800次循环后并未衰退，相当于24万英里（38万公里）的行驶里程。 　　受此消息影响，QuantumScape股票持续大涨20%。 　　据了解，这种固态电池关键突破是使用陶瓷分离器取代传统电池中使用的液体电解质，作为正负离子流动的介质，这种陶瓷是柔性的，而不是刚性的。在零下30摄氏度的极冷温度下，能量可以继续在整个电池中移动，这个温度会导致其他固态设计无法运行，或者会严重降低湿锂离子电池的性能。 　　锂离子电池发明者、2019年诺贝尔化学奖得主之一Stan Whittingham表示，“制造一个固态电池最困难的部分是需要同时满足高能量密度、快速充电、长循环寿命和宽温度范围工作的多个要求。数据显示，QuantumScape的固态电池完全满足所有这些要求，这是以前从未报道过的。如果该公司能够将这项技术投入大规模生产，它就有可能改变整个行业。” 　　实际上，QuantumScape今年11月份才刚刚上市。不过，在上市之前，该公司就从大众汽车获得了3.8亿美元，并从比尔·盖茨、Breakthrough Energy Ventures、Khosla Ventures和KPCB等科技投资者处获得了资金。 　　此外，大众汽车还承诺将向QuantumScape投入更多资金，资助双方的合资公司生产电池，希望2025年能在汽车上使用该公司的固态电池。 　　固态电池——下一代锂电技术制高点 　　作为锂离子电池产业化第30个年头，2020年电池技术也将进入一个新的变革周期。目前锂电池的安全问题仍未解决，于是固态电池就成为下一代锂电技术的方向。 　　固态电池和锂电池最主要的区别在于固态电池电解质为固态，相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。 　　与传统锂电池相比，固态电池最突出的优点是安全。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性。固态电解质可以抑制锂枝晶、不易燃烧、不易爆破、无电解液走漏、不会在高温下发生副反应等，在大电流下工作不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路，不会在高温下发生副反应，不会因产生气体而发生燃烧。 　　固态电池循环性能强。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，理想情况下循环性能表现优异，能够达到45000次左右。 　　此外，固态电池还有能量密度高、适用范围大等优点。 　　当然，固态电池也不是没有缺点，界面阻抗过大、成本相对较高等将是今后研究过程中需要解决的问题。 　　企业开启固态电池争夺战 　　看好固态电池的前景，世界各国也纷纷加快固态电池技术研发进度，来提前占领该市场。 　　日本车企在固态电池上的研发起点相对较早，最早入局的丰田在2008年就与固态电池创企伊利卡（Ilika）展开了合作，目前正在加速与松下的联合项目，希望在2025年之前开发车载固态电池。同时，本田、日产等企业也在探索固态电池相关技术。 　　我国虽然在该领域起步较晚，但包括宁德时代、比亚迪、辉能科技、珈伟股份、赣锋锂业、中国科学院化学所、中国科学院青岛能源所在内的企业和科研院所都在积极发力固态电池的研发。 　　应该看到的是，固态电池尚未实现大规模商业化，全球预计2020年准固态锂电池会实现产业化，到2025年全固态锂电池将最终实现产业化。根据中银国际测算，全球固态锂电池的需求量在2020年、2025年、2030年分别有望达到1.7GWh、44.2GWh、494.9GWh，2030年全球固态电池市场空间有望达到1500亿元以上。 　　期待早日看到全固态锂电池实现产业化。  
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