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亚化咨询:固态锂电池能否2022年成为市场主流?

2017-08-23

2017年8月,日本日立公司的研究人员宣布,其固态电池技术已研发完成。日立相关人士透露,目前日立已将固态电池的样品送到了航空航天和汽车行业的潜在客户。此外,日立正在与一个未公开的日本电池制造商合作,完善一些细节上的问题,并在2020年之前将固态电池投放市场

 

20176月,丰田向美国提交的一份编号为20170179545的固态电池专利申请被公开。亚化咨询研究表明,该固态电池由硫化固态电解质和电极活性材料构成,其中,电解质材料的组成包括锂、磷、硫、碘等四种元素;正极材料则包含了一种磷酸酯。该磷酸酯在正极材料中的重量占比范围在1~30%不等。通过在正极材料中添加磷酸酯,该固态锂电池的热稳定性得以改善。7月,丰田表示,计划于2022年开始销售由全固态电池提供动力的电动车

 

固态锂电池是一种使用固态电解质的电池。在构造上,固态锂电池比传统锂离子电池简单。固态电解质除传导锂离子,也充当了隔膜的角色。因此,在固态锂电池中,电解液、隔膜与粘结剂PVDF等都不需要使用。工作原理上,固态锂电池和锂离子电池相通,充电时,正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌,通过固体电解质向负极迁移,电子通过外电路向负极迁移,两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中。放电过程与充电过程相反,此时电子通过外电路驱动电子器件。

 

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传统锂离子电池与固态锂电池示意图

 

亚化咨询《中国锂离子电池年度报告2017》显示,固态锂电池在材料上的选择、研究方向与最新进展如下所示。

 

1)电解质

 

固态锂电池主要采用固态电解质,如聚合物、无机物等。目前固态电解质的研究主要集中在高电导率的复合型电解质等的研发上

 

201611月,三井金属发布了全固态电池用的硫化物固态电解质Argyrodite。三井金属表示,将会与电池厂商和汽车厂商等合作,到2020年实现固态电解质的商业化。

 

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三井金属Argyrodite硫化物固态电解质

 

2)正极材料

 

除传统正极材料外,固态锂电池还能兼容更高电压的氧化物正极、高容量硫化物正极等。固态锂电池正极材料的研究方向集中在降低正极的界面阻抗,提高高倍率放电性能等

 

20158月,北大新材料学院首次将高容量硅酸亚铁锂(Li2FeSiO4)正极材料应用于聚氧乙烯基全固态电池。该电池在100℃具有优越的倍率性能(30C容量有67.5mAh/g)以及较高的比容量发挥(1C容量有258.2mAh/g)。

 

3)负极材料

 

除传统石墨负极材料外,固态锂电池还在开发应用其他高性能负极材料,包括金属锂负极,硅基、锡基负极以及氧化物等负极。

 

20165月,由日本东北大学原子分子材料科学高等研究机构和东京大学的研究所组成的研究小组宣布成功开发出新型固态锂电池的负极材料穿孔石墨烯分子(CNAP)。该材料电容是石墨的2倍以上,反复65次充放电后电容仍能保持较高水平。

 

目前全球多个国家先后制定了高能量密度锂电池的研发目标。如日本政府提出,2020年动力电池电芯能量密度将达到250Wh/kg2030年达到500Wh/kg;美国先进电池联合会(USABC)提出将2020年电芯能量密度由原来的220Wh/kg提高至350Wh/kg;中国国务院《中国制造2025》中明确提出,到2020年中国动力电池单体比能量要达到300Wh/kg2025年达到400Wh/kg2030年达到500Wh/kg

 

公开资料显示,当前采用三元正极材料和石墨负极材料的液态动力锂电的能量密度极限在280Wh/kg左右,而引入硅基复合材料替代纯石墨作为负极材料,动力锂电的能量密度有望做到300Wh/kg以上,上限约为350Wh/kg

 

亚化咨询认为,上述国家提出的动力电池单体比能量的2020年的目标是可以通过现有的锂离子电池技术来实现的。若想达成更高能量密度的目标,固态锂电池将是一个重要的发展方向。目前固态锂电池存在固态电解质与正负极之间界面阻抗过高、固态电解质电导率偏低、材料制备成本昂贵等难题,使得固态锂电池在2022年难以成为市场主流。但是考虑到市场对锂电池能量密度和安全性能需求的持续提升,固态锂电池的发展前景值得期待。