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《【Nature Energy】对全固态锂电池性能的可重复性进行基准测试》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2024-09-25

  • 迄今为止，固态电池的研究还没有统一的标准，而固态电池也将长期用于电动汽车——尽管全球在这一领域投入了数十亿美元。拜罗伊特大学的研究人员已经确定了这一现象的原因，并将其发表在杂志上。

    与传统的锂离子电池相比，固态电池或全固态电池（ASSB）有望显著提高能量密度。 因此，它们被认为是未来电动汽车的储能系统。 然而，在电池研究中，固态电池电池的验证还没有标准化的协议。 当结果公布时，人们往往不清楚这些结果是否与其他研究小组的结果具有可比性。 因此，必须建立电池测试的可重复性和可比性起点，以便能够可靠地评估该技术的创新。"我们每周至少会听到一次电池性能的新突破，这将彻底改变电动汽车或整个能源存储。 拜罗伊特大学巴伐利亚电池技术中心（BayBatt）电化学系主任 Nella M. Vargas-Barbosa 教授博士报告说："在许多情况下，这是因为它们无法在原始实验室之外进行复制。 

    在这项研究中，研究人员测量了简单测试电池特性的实际差异：21 个在固态电池领域拥有研究和行业公认专业知识的研究小组获得了相同的电池材料和预定义的电化学测试程序，但每个小组都使用自己的电池组装方法和单独的非标准化测量技术。

    原文链接：: Sebastian Puls et al, Benchmarking the reproducibility of all-solid-state battery cell performance, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01634-3. www.nature.com/articles/s41560-024-01634-3

  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2024-09-benchmarking-solid-state-lithium-battery.html
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相关报告

  • 《【Journal of Energy Storage】准固态电池集电动汽车和设备的安全性和高效性于一体》
    • 来源专题：新能源汽车
    • 编译者：王晓丽
    • 发布时间：2025-01-14
    • 日本同志社大学的研究人员开发了一种新型的准固态锂离子电池（LIB），该电池具有不可燃的固体和液体电解质。与传统的锂离子电池相比，该电池具有更高的离子电导率、更好的循环性能和更好的安全性。 技术进步促使电动设备和电动汽车得到广泛应用。 这些创新不仅方便，而且环保，为污染环境的燃料驱动机器提供了替代品。 锂离子电池（LIB）广泛应用于电器和汽车。 商用锂离子电池由有机电解质溶液组成，这被认为是使其高效节能所不可或缺的。 然而，随着市场需求的不断增长，确保安全成为一个令人担忧的问题，而且可能难以实现。 虽然固态电池有助于缓解安全问题，但固态电极与电解液之间的界面不利于锂离子的最佳传输。 此外，固体电极的膨胀和收缩会破坏连接界面，阻碍离子传输。 因此，有必要开发具有稳定接合界面的高效固态电池，以提高其安全性、实用性和性能。 为了克服这些挑战，日本的一个研究小组开发出了一种不易燃的准固态 LIB，它可以克服传统电池的局限性。 这项研究由日本同志社大学和 TDK 公司的 Ryosuke Kido、同志社大学的 Minoru Inaba 教授和 Takayuki Doi 教授以及 TDK 公司的 Atsushi Sano 领导，他们的研究成果发表在 Journal of Energy Storage上。 在进一步介绍他们的工作时，论文的主要作者 Kido 先生说："提高正负极活性材料的容量以实现更高的能量密度，会降低循环性能和安全性。 我们开发的阻燃准固态电池结合了液态电解质和固态电解质，为具有高能量密度的全固态电池提供了更安全、更耐用的替代品。"新电池设计包括硅（Si）负极和镍钴锰酸锂（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，NCM811）正极，它们被认为是锂离子电池的下一代材料。 这些电极由小原公司生产的固态锂离子导电玻璃陶瓷片（LICGC）隔开。 为了提高兼容性和性能，研究人员为每个电极量身定制了不易燃、接近饱和的电解质溶液。 这些溶液使用磷酸三（2,2,2-三氟乙基）酯和 2,2,2-三氟乙基碳酸甲酯，它们与电极和固体电解质界面兼容。 研究人员利用电化学阻抗谱、充放电测试和加速速率量热法（ARC）对准固态 LIB 的热稳定性和电化学性能进行了评估。 值得注意的是，该电池具有充放电容量高、循环性能好和内阻变化小的特点。 此外，ARC 测试表明，Si-LICGC-NCM811 结构与相应的电解质溶液具有更好的热稳定性，即使在 150°C 左右的高温范围内，与副反应相关的发热量也非常低。 总之，新开发的 LIB 有潜力促进高效、更安全的下一代电动汽车和无人机等无绳电器的开发。 它的广泛应用不仅能为用户带来更多便利，还能促进经济的可持续增长。 Kido 先生最后谈到了他们工作的长远意义，他说："随着全球朝着碳中和的方向发展，电动汽车近年来备受关注。 我们研究的准固态电池有可能改善液态锂电池的寿命，提高能量密度，同时保持全固态电池的安全性。"这项研究标志着向开发兼顾安全性、效率和环境可持续性的下一代储能解决方案迈出了一步。 原文链接: Ryosuke Kido et al, Highly safe quasi-solid-state lithium ion batteries with two kinds of nearly saturated and non-flammable electrolyte solutions, Journal of Energy Storage (2024). DOI: 10.1016/j.est.2024.114115
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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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