登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《前沿 | 全固态电池空间电荷层微观机理揭示》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2023-03-29

  • 中国科学技术大学马骋教授团队通过球差校正电镜的原子尺度观测，研究了空间电荷层对全固态锂电池中离子传输的影响，并发现这一现象的微观机理和过往几十年的认知截然不同。研究成果发表在国际学术期刊《自然·通讯》上。

    相比于目前的商业化锂离子电池，全固态锂电池具有更好的安全性和更大的能量密度提升空间。在这种电池中，空间电荷层可以产生于各种固—固界面附近。之前研究者普遍认为，空间电荷层对离子迁移的影响只由锂离子的浓度决定：锂离子浓度高则有利于离子迁移，锂离子浓度低则不利于离子迁移。为了透彻理解空间电荷层对离子传输的实际影响，需要对材料进行原子尺度的直接观测。

    研究人员以经典固态电解质的晶界作为研究对象。在此前的认知中，该材料之所以具有过大的晶界电阻，是因为空间电荷层在晶界附近形成了锂离子浓度极低的区域，从而限制了离子迁移效率。而马骋团队通过球差校正电镜观测发现，晶界附近的锂离子浓度反而高于材料中的平均水平，并精准确定了这些多余锂离子在晶格中的位置。结合理论计算和电化学测试，他们发现这种晶体结构能实现相当高效的离子传输，和文献中被普遍接受的假想截然相反。这一发现修正了关于空间电荷层的认知，也为全固态电池的界面优化提供了指导法则。

160浏览量
原文链接
相关报告

  • 《【Nature Communications】首次实现燃料电池内部空间电荷层的直接观测》
    • 来源专题：新能源汽车
    • 编译者：王晓丽
    • 发布时间：2024-11-01
    • 东京大学的一个研究小组首次成功地直接观察到了燃料电池固体电解质内部的空间电荷层。 固体氧化物燃料电池（SOFC）二氧化碳排放量低、发电效率高，有望成为一种清洁能源。 SOFC 使用钇稳定立方氧化锆（YSZ）和其他氧离子导体作为固体电解质。 然而，材料内部无数晶粒之间的界面（晶界）离子电导率急剧下降是一个问题，长期以来，人们一直认为导致离子电导率下降的原因是晶界附近纳米范围内分布的空间电荷层。 直接观察这些电荷层非常困难，晶界处是否真的存在空间电荷层这一根本问题一直没有答案。 在这项发表于 Nature Communications 的研究中，东京大学工学研究科工程创新研究所的研究人员通过使用先进的电子显微镜观测局部电场，成功地直接证明了 YSZ 晶界存在空间电荷层。 此外，研究人员还对具有不同晶体取向（原子在晶体结构中的排列方式）的多个晶界进行了类似的观察，并成功找到了不存在空间电荷层的晶界。 结合使用电子显微镜进行的原子结构观察，他们发现空间电荷层与晶界的晶体取向和原子结构密切相关。 研究人员发现，通过控制晶界结构，可以消除空间电荷层，降低晶界处的离子传导阻力。 这项研究在阐明电池材料晶界处离子传导阻力的成因方面迈出了重要一步，有望为今后提高电池材料的性能制定新的指导方针。 这项研发成果是 "SHIBATA 超原子分辨电子显微镜 "研究项目的一部分，该项目旨在开发一种可称为超原子分辨电子显微镜的新测量技术，它超越了传统的原子分辨电子显微镜，可同时观测从极低温到高温温度范围内的原子尺度结构和电磁场分布。 这将有助于直接观察材料和生物功能的起源。 原文链接： Satoko Toyama et al, Direct observation of space-charge-induced electric fields at oxide grain boundaries, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53014-w  
    216浏览量
    原文链接

  • 《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。
    208浏览量
    原文链接