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《【Advanced Energy Materials】工程师开发用于高性能全固态锂金属电池的先进固态电解质》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2024-07-22

  • 香港科技大学（科大）工程学院的研究人员最近为锂金属电池（LMB）开发出新一代固态电解质（SSE），可大大提高安全性和性能。 这一发现有助于推动电动汽车、便携式电子产品和电网等电池应用领域的储能技术发展。


    与传统的液态电解质 LMB 相比，全固态 LMB 通过用固态电解质取代易燃的有机溶剂电解质，并抑制树枝状生长这一有害现象，从而提高了安全性和能量密度。 它们为储能技术的发展带来了广阔的前景。 为了应对这一挑战，香港科技大学化学与生物工程系助理教授 Kim Yoonseob 教授领导的研究团队开发了一种新的策略，将一类多孔的离子共聚物（Li+）结合起来。 这种新型 iCOF/PIL 复合 SSE 在室温下具有优异的离子电导率（高达 1.50 x 10-3 S cm-1）和锂离子传输能力（大于 0.80）。 通过实验和计算相结合的研究，研究小组发现 PIL、双（三氟甲烷磺酰基）亚胺锂（LiTFSI）和 iCOFs 之间建立的共配位和竞争配位机制能够在限制 TFSI- 移动的同时实现 Li+ 的快速传输。

    利用这种先进的 SSE，研究小组进一步制造出了由复合 SSE 和 LiFePO4 复合阴极组成的 LMB 全电池，并发现它在 1C 和室温条件下的初始放电容量为 141.5 mAh g-1，在 800 次循环中的容量保持率高达 87%。 它释放了 iCOFs 在电化学储能设备中的巨大潜力，为全固态 LMB 在电动汽车、便携式电子产品和电网等各种应用中的广泛采用开辟了新的道路。

    这项研究由香港科技大学、上海交通大学、浙江大学和韩国汉阳大学的研究人员合作完成，论文发表在Advanced Energy Materials 上。

    原文链接: Jun Huang et al, High‐Performance All‐Solid‐State Lithium Metal Batteries Enabled by Ionic Covalent Organic Framework Composites, Advanced Energy Materials (2024). DOI: 10.1002/aenm.202400762


  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2024-07-advanced-solid-state-electrolytes-high.html
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  • 《中国科大开发成本性能的全固态锂电池电解质》
    • 来源专题：先进材料
    • 编译者：李丹
    • 发布时间：2023-07-07
    • 中国科学技术大学教授马骋开发了一种新型固态电解质，它的综合性能与目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相近，但成本不到后者的4%，适合进行产业化应用。6月27日，该成果发表在国际著名学术期刊《自然-通讯》上。 全固态锂电池可以克服目前商业化锂离子电池在安全性上的严重缺陷，同时进一步提升能量密度，对新能源车和储能产业是一项颠覆性技术。但是，由于全固态锂电池的核心材料——固态电解质难以兼顾性能和成本，产业化仍面临巨大阻碍。 为了满足实际应用的需求，全固态锂电池的固态电解质至少需要同时具备三个条件：高离子电导率（室温下超过1毫西门子每厘米），良好的可变形性（250至350兆帕下实现90%以上致密），以及足够低廉的成本（低于50美元每公斤）。但是，目前被广泛研究的氧化物、硫化物、氯化物固态电解质都无法同时满足这些条件。 此次研究中，马骋不再聚焦于上述氧化物、硫化物、氯化物中的任何一种，而是转向氧氯化物，设计并合成了一种新型固态电解质——氧氯化锆锂。这种材料具有很强的成本优势。如果以水合氢氧化锂、氯化锂、氯化锆进行合成，它的原材料成本仅为11.6美元每公斤，很好地满足了上述50美元每公斤的要求。而如果以水合氧氯化锆、氯化锂、氯化锆进行合成，氧氯化锆锂的成本可以进一步降低到约7美元每公斤，远低于目前最具成本优势的固态电解质氯化锆锂（10.78美元每公斤），并且不到硫化物和稀土基、铟基氯化物固态电解质的4%。 在具备极强成本优势的同时，氧氯化锆锂的综合性能与目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相当。它的室温离子电导率高达2.42毫西门子每厘米，超过了应用所需要的1毫西门子每厘米，并且在目前报道的各类固态电解质中位居前列。与此同时，它良好的可变形性使材料在300兆帕压力下能达到94.2%致密，可以很好的满足应用需求，也优于以易变形性著称的硫化物、氯化物固态电解质（同等压力下不足90%致密）。 实验证明，由氧氯化锆锂和高镍三元正极组成的全固态锂电池展示了极为优异的性能：在12分钟快速充电的条件下，该电池仍然成功地在室温稳定循环2000圈以上。 研究人员介绍，氧氯化锆锂能以目前最低的成本实现和当下最先进的硫化物、氯化物固态电解质相近的性能，对全固态锂电池的产业化具有重大意义。 审稿人认为这一发现“很有新意和原创性”，并且认为氧氯化锆锂材料“很有前景”“有益于固态电池技术的商业化”。（来源：中国科学报 王敏） 相关论文信息： https://doi.org/10.1038/s41467-023-39522-1
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  • 《全固态电池商业化还要5-10年》
    • 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：2020-08-18
    • 　相较于传统的锂离子电池，固态电池能提供更好的续航能力和安全性，但目前而言，固态电池迫于技术和成本的双重制约，距离产业化仍然需要很长时间。 　　光大证券认为，固态电池有望成为下一代高性能锂电池。目前中国大部分的汽车厂商和新能源厂商也在参与固态电池的研发。 　　固态电池的不同技术路径 　　2019年12月，工信部发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》（征求意见稿），在“实施电池技术突破行动”中，加快固态动力电池技术研发及产业化被列为“新能源汽车核心技术攻关工程”。这意味着固态电池有望上升至国家战略层面。 　　固态电池是以固体材料来代替现有锂离子电池中使用的液体成分，固态电解质的厚度仅3~4微米，非常轻薄，不仅减小了体积，也降低了重量。 　　固态电池的技术发展采用逐步颠覆策略，液态电解质含量逐步下降，全固态电池是最终形态。依据电解质分类，锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。 　　不过，固态电池的技术路线目前仍有很大分歧。 　　固体电解质可大致分为三类：无机电解质、固态聚合物电解质、复合电解质。目前业内比较看好的材料包括固态聚合物、硫化物、氧化物、薄膜等。 　　光大证券认为，聚合物固态电解质将率先实现应用，但存在高成本和低电导率两个致命问题。 　　目前主流的聚合物固态电解质是聚环氧乙烷（PEO）电解质及其衍生材料。相比之下，氧化物固态电解质综合性能好，进展最快。硫化物固态电解质电导率最高，研究难度最大，开发潜力最大，但如何保持高稳定性是一大难题。高能聚合物体系仍处于实验室研究阶段，LiPON薄膜型全固态电池已小批量生产，非薄膜型已尝试打开消费电子市场。 　　近年来多家中国企业建立氧化物固态电池生产线。 　　苏州清陶新能源在江苏昆山建成投产的固态锂电池生产线，单体能量密度达400Wh/kg以上，拟于2020年进入动力电池应用领域。 　　辉能科技与南都电源合作建立的国内首条1GWh规模的固态电池生产线也将于2020年建成，公司今年4月刚完成D轮融资，用于加速固态电池商业化落地和工厂建设，辉能在氧化物固态电池方面取得了一定的成果。 　　日韩和欧洲企业则投入了大量资金进行硫化物固态电解质的研究。 　　2020年日本丰田计划推出搭载硫化物固态电池的新能源汽车，计划于2022年实现量产。十几年前丰田已开展固态电池研发工作，不仅获得了固态电解质材料、固态电池的制造技术等方面的专利，还研发了一整套的正极材料和硫化物固态电解质材料回收的技术路线和回收工序。三星和宝马也都在研发硫化物固态电池的技术。中国的宁德时代（300750.SZ）也在这一方向上发力。 　　全固态电池商业化还要5~10年 　　今年3月初，三星高等研究院（SAIT）与三星日本研究中心（SRJ）在《自然-能源》介绍了其在固态电池领域的最新进展，称已经开发出一种高性能全固态电池。这种电池的循环寿命超过1000次，可以让电动汽车在单次充电的情况下行驶800公里。 　　丰田也在联手松下开发固态电池领域技术；宝马于2017年开始牵手Soild Power开发固态电池，福特和三星也于去年投资了Solid Power；大众也表示将在欧洲建厂生产固态电池，有望在2024~2025年间实现量产。 　　另一家瞄准动力电池市场的是戴森。戴森创始人詹姆斯·戴森表示，向其他车企出售固态电池是一个进入汽车行业的选项。 　　光大证券称，固态电池领域已经进入“军备竞赛”阶段，各企业期望抢占先机以赢得市场份额。固态电池领域市场参与者众多，车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才三方面进行博弈。随着越来越多的企业加入，固态电池产业化进程不断加速，按照目前的发展情况，2021~2025年固态电池将实现初步应用。 　　不过全固态电池的商业化还需要很长时间。去年底，宁德时代一位电池开发负责人曾表示，全固态电池实现商品化要到2030年以后。 　　光大证券研报显示，固态电池的工艺路线尚不成熟，降本仍需过程，全面产业化预计需要5~10年。例如三星的固态电池虽然能够达到长续航，但生产环境要求苛刻，银碳层大规模生产所需的贵金属纳米银成本较高，短期产业化并不现实。 　　国内固态电池产业化进程正在不断加速。 　　国轩高科2019年推出了半固态电池的试生产线；赣锋锂业年产亿瓦时级第一代固态锂电池研发中试生产线已建成试产，不久将正式投产；比亚迪也曾表示正在积极推进固态电池项目商用；宁德时代的全固态电池还在开发中，预计2030年后实现商品化。 　　此外，天齐锂业2018年开始布局固态电池，其参股公司美国Solid Energy主要开发和生产具有超高能量密度、超薄锂金属电池，开发电解液和负极材料。2018年宣布与中国科学院等机构进行固态电池技术合作，目前尚处于实验试制阶段。鹏辉能源固态电池处于研发阶段，计划在未来2~3年内推出固态电池产品。 　　近两年内固态电池生产线迎来一轮不小的投产潮，清陶、卫蓝新能源、辉能科技等企业将建固态电池生产线，虽然目前各企业均未公布固态电池成本，但此前已有预测，固态电池成本将远高于锂离子电池，未来固态电池若想实现产业化，降本则成必然。 　　光大证券认为，固态电池的生产可组合传统锂离子电池产业链。与传统锂离子电池相比，固态电池电芯制备不存在革命性创新，只是电极和电解质制造环境要求更高，需要在惰性气体保护下或在干燥间内进行，这与制造超级电容器、锂离子电容器等空气敏感储能器件的生产环境相似。
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