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固态锂电池的发展趋势是什么,它的优势又有哪些?
固态锂电池的发展趋势是什么,它的优势又有哪些?
  • 发布时间:2020-01-04 16:06

固态锂电池的发展趋势是什么,它的优势又有哪些?

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全固态锂电池是未来的重要发展方向已经是业内的共识,固态锂电池是未来锂电池极有希望的发展方向。但是其技术离成熟还比较远,各家企业都在努力探索合适的制备技术。该领域技术仍不成熟,设备仅还处于探索阶段,目前只能小规模试制的固态电池。
 
固态锂电池发展前景
2020~2025年全固态锂电池将量产上车。许多研究者和企业认为,相对于锂硫、锂空、铝、镁电池以及并不存在的石墨烯电池,全固态金属锂电池是最具潜力的替代现有高能量密度锂离子电池的候选技术,其能量密度有望是现有锂离子电池的2~5倍,循环性和服役寿命更长,倍率性能更高,并可能从本质上解决现有液态电解质锂离子电池的安全性问题。
 
固态锂电池起步早,商业化程度更高,整车成本也更低,且充电可以利用现有的电网系统,相比燃料电池整个加氢和供氢的配套网络都要从头建设,成本也要更低。
 
从液态电解质到全固态锂电池的发展是要经历一个过程的:电解质中的电解液含量将逐步下降,从开始的凝胶电解质(如PEO)体系逐渐向半固态发展,最终过渡到真正的全固态电池。而在这一过程中,使用的负极材料也将不断深化,预锂化负极,乃至无数科学家们已经探索多年的锂金属负极将成为我们的最终目标。在此过程中,电池的能量密度才能最终达到350,乃至500Wh/kg的愿景。
 
固态锂电池将是未来电池发展的方向。固态锂电池代替传统锂电池渐行渐近,基于安全和能量密度上的优势,固态电池已成为未来锂电池发展的必经之路。新型化学储能技术领域对高安全性、长寿命锂二次电池的发展需求,发展大容量全固态锂电池前沿技术刻不容缓。
 
电解质材料是全固态锂离子电池技术的核心,电解质材料很大程度上决定了固态锂电池的各项性能参数,如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命。相对于传统的锂离子电池,全固态锂离子电池最明显的变化是其电解质由原来的电解液变为了固态的电解质,使得电池体积大大降低,能量密度也得到提升。
 
总体来看固态电池的发展,电解质可能遵循从液态、半固态、固液混合到固态的路径发展,最后到全固态。笔者认为,2020年前采用高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现300Wh/Kg,2025年前采用富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现400Wh/Kg,2030年前燃料/锂硫/空气电池实现500Wh/Kg。
 
固态锂电池的优势
●固态锂电池生产成本相对较低,此外其重复充电利用非常方便,相比其他可携带能源,其具有更高的成本效益。
●传统锂电池,因为电解质首要是电解液,导致存在易燃、不稳定、环保型差等,对比传统锂电池,全固态锂电池在能量密度、安全性、环保性等方面,均更具优势。
●全固态锂离子电池使用固态电解质,不易燃、无腐蚀、不挥发泄露,具备固有安全性与更长的使用寿命。
 
相比于传统的锂离子电池,固态锂电池具有显著优点
(1)高安全性能:传统锂离子电池采用有机液体电解液,在过度充电、内部短路等异常的情况下,电池容易发热,造成电解液气胀、自燃甚至爆炸,存在严重的安全隐患。而很多无机固态电解质材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,聚合物固体电解质相比于含有可燃溶剂的液态电解液,电池安全性也大幅提高。
(2)高能量密度:固态锂电池负极可采用金属锂,电池能量密度有望达到300~400Wh/kg甚至更高;其电化学稳定窗口可达5V以上,可匹配高电压电极材料,进一步提升质量能量密度;没有液态电解质和隔膜,减轻电池重量,压缩电池内部空间,提高体积能量密度;安全性提高,电池外壳及冷却系统模块得到简化,提高系统能量密度。
(3)循环寿命长:有望避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长SEI膜的问题和锂枝晶刺穿隔膜问题,大大提升金属锂电池的循环性和使用寿命。
(4)工作温度范围宽:固态锂电池针刺和高温稳定性极好,如全部采用无机固体电解质,最高操作温度有望达到300℃,从而避免正负极材料在高温下与电解液反应可能导致的热失控。
(5)生产效率提高:无需封装液体,支持串行叠加排列和双极机构,可减少电池组中无效空间,提高生产效率。
(6)具备柔性优势:全固态锂电池可以制备成薄膜电池和柔性电池,相对于柔性液态电解质锂电池,封装更为容易、安全,未来可应用于智能穿戴和可植入式医疗设备等。
 
以上就是固态锂电池发展前景,固态锂电池优势。总体来看固态电池的发展,电解质可能遵循从液态、半固态、固液混合到固态的路径发展,最后到全固态。
 
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