《日本计划在月球上开展固态电池实验》

  • 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:2019-02-26
  • 想要在太空中使用固态电池,听起来不像是什么新鲜事。但问题在于,这项技术在地球上,也尚未普及。尽管如此,还是有不少初创企业,希望尽快在月球上开展电池实验。之所以如此积极,是因为它看到了未来月球探索的光明前景。诸如ispace等私营或国有机构,都在竞相将机器人和实验仪器送往月球。但在抵达这颗卫星之后,需要考虑长时间没有太阳照射的后备能源方案。

    有太阳和没太阳,月球上会经历极端的温差。想要找到一种足够承受这种温度波动,但仍能有效储存能量的电池,对月球探索有着重大的意义。

    固态电池,或许是一种很有前途的解决方案。与普通电池相比,其采用了固态电解质,你可以将它简单认作传统锂离子电池的超级版本。

    为了帮助带电粒子从电池的两极之间移动,锂离子需要依赖于一种易燃的液体作为电解质。遗憾的是,即便在地球上,这种液体也会造成一些问题。

    在高温下,电解质可能导致电池失效起火、甚至让手机等设备爆炸。在低温环境下,电解液会被冻成固体,导致电池大幅衰减。

    作为对比,固态电池中的电解质,经过了特别精心的设计。尽管没有使用液体来包裹,这种固态材料仍能帮助离子来回移动。

    瑞士联邦材料科学与技术实验室固态电池研究员、博士生FrancescoPagani表示:

    固态电池无需液体来包裹一切,而是将不同的部分堆叠成固体层,且能够让电池变得更加紧凑与传统锂离子电池相比,固态电池能够保存更多的能量、充电速度也更快。

    理论上,它能够更好地经受月球的剧烈温差,从阳光照射下的260ㄈ(127℃)、到阴影下的-280ㄈ(-173℃)。就算过热,也不会轻易燃烧或爆炸。

    虽然在极端的低温下,固态电池的充电速度会变慢,但至少它可以在太空环境下存活。如果换成锂离子电池,根本就没有考虑的必要。

    据悉,规划中的月球固态电池,将由日本的NGKSparkPlug制造。虽未确定这种固态电池的确切规格,但已知其将使用陶瓷材质的电解质(特点是相当稳定,因此极受欢迎)。

    目前其计划做一些相当基本的测试,以验证电池是否能够在月球的真空环境中存活和保持电荷,其希望这项实验能够拓展太空电池的可行性。

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    • 编译者:郭楷模
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    • 11月5日,华为在国家知识产权局公开了一项硫化物固态电池的专利,题为《掺杂硫化物材料及其制备方法、锂离子电池》。 该专利旨在解决硫化物固态电池在实际应用中出现的金属锂负极与硫化物电解质间的界面副反应问题,进而提升电池的寿命和稳定性。这一创新技术被业内视为固态电池发展的重要突破,为高效、安全的电池应用提供了新的方向。 创新技术背景:优化界面稳定性 随着新能源市场的快速发展,固态电池因其高能量密度、长循环寿命及安全性,被视为未来电池技术的主流路径。硫化物固态电池在离子电导率、快充性能以及耐高温方面优于氧化物固态电池,但其金属锂负极与硫化物电解质的界面反应却对电池的使用寿命产生不利影响。针对这一技术瓶颈,华为的研发团队提出了一种氮元素掺杂的硫化物材料,显著提升了电解质对金属锂的稳定性。氮元素作为掺杂基团,可与锂结合形成Li?N,从而在一定程度上抑制副反应的发生,延长了电池的循环寿命。 华为新专利的技术细节与优势 晶体结构与材料设计:该专利的掺杂硫化物材料采用立方晶型结构,在晶胞中掺入氮元素,能够与锂(Li)结合形成Li?N,这种设计在阻止材料与金属锂的副反应方面发挥了重要作用。 电池性能提升:掺杂硫化物材料具有较高的离子电导率,并能够显著提升锂离子电池的循环寿命。这种材料可作为硫化物固态电解质使用于锂离子电池中,有助于提高能量密度、延长寿命,并具备更好的安全性和快充性能。 产业快速发展,多方布局固态电池 近期,固态电池产业在全球范围内快速推进。10月24日,“北京亦庄”宣布国内首条全固态锂电池量产线投产,具备年产50安时全固态电池的能力。两天后,江西于都的500MWh全固态电池量产线正式投产并发布产品,这标志着中国固态电池的产业化进程进一步加速。与此同时,太蓝新能源将联合长安汽车于11月7日发布新的固态锂电池技术,展示固态电池在电动汽车中的应用前景。 产业界的龙头企业也纷纷投入固态电池研发。宁德时代已在10Ah级全固态电池上进行试验,计划在2027年实现小批量量产;清陶能源计划2025年实现10万辆级别的固态电池量产。卫蓝新能源则在北京开工建设固态电池项目,预计2027年可以实现电池在整车上的小规模验证。整体来看,业内普遍预期到2025年半固态电池有望量产并应用于新能源汽车,到2030年全固态电池将逐步实现大规模商用。 市场前景广阔,概念股走势强劲 东方证券指出,全固态电池早期将优先应用于消费电子、高端电动车及航空航天市场,到2030年在动力电池和消费电池中的渗透率将分别达到2%和10%。集邦咨询预测,到2027年前固态电池的产量将达到GWh级别,2030年其应用规模将突破10GWh,而电池的单位瓦时价格预计在2035年有望降至0.6-0.7元,为其大规模推广创造经济基础。 华为专利的发布也带动了A股市场中固态电池相关概念股的表现。据统计,固态电池指数自9月以来涨幅超35%。其中,南都电源的涨幅超过180%,璞泰来、德福科技、容百科技等多家企业涨幅也超过50%。此外,蓝海华腾、万向钱潮、新宙邦等公司均在投资者互动平台上回应称已布局硫化物固态电池的研发。珠海冠宇作为消费电池供应商,开发了固态电池正极材料,其电池样品能量密度达400Wh/kg,并具备安全性和长寿命优势,预计未来有望在消费电子中实现大规模量产。 技术推动市场变革 华为的硫化物固态电池专利不仅为固态电池技术提供了新的技术思路,也进一步奠定了其在电池领域的研发实力。随着新能源汽车市场的持续扩张和储能系统需求的快速增长,固态电池的市场前景被普遍看好,技术路线逐步清晰。 未来数年,固态电池将逐步替代现有锂电池技术,推动电动汽车和储能系统的高效、安全发展。华为在此领域的技术突破,尤其在材料和界面稳定性上的创新,将为行业带来更高效的电池解决方案,有望成为未来绿色能源应用的关键驱动力。
  • 《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。