鉅大LARGE | 點擊量：321次 | 2023年09月28日
固態(tài)鋰電池能否2022年成為市場主流？
2017年八月，日本日立公司的研究人員宣布，其固態(tài)電池技術已研發(fā)完成。日立相關人士透露，目前日立已將固態(tài)電池的樣品送到了航天和汽車行業(yè)的潛在客戶。此外，日立正在和一個未公開的日本電池制造商合作，完善一些細節(jié)上的問題，并在2020年之前將固態(tài)電池投放市場。
2017年六月，豐田向美國提交的一份編號為20170179545的固態(tài)電池專利申請被公開。亞化咨詢研究表明，該固態(tài)電池由硫化固態(tài)電解質和電極活性材料構成，其中，電解質材料的組成包括鋰、磷、硫、碘等四種元素；正極材料則包含了一種磷酸酯。該磷酸酯在正極材料中的重量占比范圍在1~30%不等。通過在正極材料中添加磷酸酯，該固態(tài)鋰電池的熱穩(wěn)定性得以改善。七月，豐田表示，計劃于2022年開始銷售由全固態(tài)電池供應動力的電動汽車。
固態(tài)鋰電池是一種使用固態(tài)電解質的電池。在構造上，固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰電池簡單。固態(tài)電解質除傳導鋰離子，也充當了隔膜的角色。因此，在固態(tài)鋰電池中，電解液、隔膜和粘結劑PVDF等都不要使用。工作原理上，固態(tài)鋰電池和鋰電池相通，充電時，正極中的鋰離子從活性物質的晶格中脫嵌，通過固體電解質向負極遷移，電子通過外電路向負極遷移，兩者在負極處復合成鋰原子、合金化或嵌入到負極材料中。放電過程和充電過程相反，此時電子通過外電路驅動電子器件。
傳統(tǒng)鋰電池和固態(tài)鋰電池示意圖
亞化咨詢《我國鋰電池年度報告2017》顯示，固態(tài)鋰電池在材料上的選擇、研究方向和最新進展如下所示。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1）電解質
固態(tài)鋰電池重要采用固態(tài)電解質，如聚合物、無機物等。目前固態(tài)電解質的研究重要集中在高電導率的復合型電解質等的研發(fā)上。
2016年十一月，三井金屬公布了全固態(tài)電池用的硫化物固態(tài)電解質Argyrodite。三井金屬表示，將會和電池廠商和汽車廠商等合作，到2020年實現(xiàn)固態(tài)電解質的商業(yè)化。
三井金屬Argyrodite硫化物固態(tài)電解質
2）正極材料
除傳統(tǒng)正極材料外，固態(tài)鋰電池還能兼容更高電壓的氧化物正極、高容量硫化物正極等。固態(tài)鋰電池正極材料的研究方向集中在降低正極的界面阻抗，提高高倍率放電性能等。
2015年八月，北大新材料學院首次將高容量硅酸亞鐵鋰（Li2FeSiO4）正極材料應用于聚氧乙烯基全固態(tài)電池。該電池在100℃具有優(yōu)越的倍率性能（30C容量有67.5mAh/g）以及較高的比容量發(fā)揮（1C容量有258.2mAh/g）。
3）負極材料
除傳統(tǒng)石墨負極材料外，固態(tài)鋰電池還在開發(fā)應用其他高性能負極材料，包括金屬鋰負極，硅基、錫基負極以及氧化物等負極。
2016年五月，由日本東北大學原子分子材料科學高等研究機構和東京大學的研究所組成的研究小組宣布成功開發(fā)出新型固態(tài)鋰電池的負極材料穿孔石墨烯分子（CNAP）。該材料電容是石墨的2倍以上，反復65次充放電后電容仍能保持較高水平。
目前全球多個國家先后制定了高能量密度鋰電池的研發(fā)目標。如日本政府提出，2020年動力鋰電池電芯能量密度將達到250Wh/kg，2030年達到500Wh/kg；美國先進電池聯(lián)合會（USABC）提出將2020年電芯能量密度由原來的220Wh/kg提高至350Wh/kg；我國國務院《我國制造2025》中明確提出，到2020年我國動力鋰電池單體比能量要達到300Wh/kg，2025年達到400Wh/kg，2030年達到500Wh/kg。
公開資料顯示，當前采用三元正極材料和石墨負極材料的液態(tài)動力鋰電的能量密度極限在280Wh/kg左右，而引入硅基復合材料替代純石墨作為負極材料，動力鋰電的能量密度有望做到300Wh/kg以上，上限約為350Wh/kg。
亞化咨詢認為，上述國家提出的動力鋰電池單體比能量的2020年的目標是可以通過現(xiàn)有的鋰電池技術來實現(xiàn)的。若想達成更高能量密度的目標，固態(tài)鋰電池將是一個重要的發(fā)展方向。目前固態(tài)鋰電池存在固態(tài)電解質和正負極之間界面阻抗過高、固態(tài)電解質電導率偏低、材料制備成本昂貴等難題，使得固態(tài)鋰電池在2022年難以成為市場主流。但是考慮到市場對鋰電池能量密度和安全性能需求的持續(xù)提升，固態(tài)鋰電池的發(fā)展前景值得期待。
