固态电池技术发展现状综述.pdf
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1、第4期(总第192 期)2023年11月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.4(serial No.192)Nov.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.04.001固态电池技术发展现状综述张春英1-2,马亚辉1-2,易正根1-2,吴瑶1-2,钱星1-2,刘静1.2(1.中国一汽无锡油泵油嘴研究所,江苏无锡2 140 6 3;2.一汽解放商开院动力总成前瞻技术研究部,江苏无锡2 140 6 3)摘要:车辆电动化发展要求动力电池具有高能量密度、高安全和高可靠性。液态电解质动力电池能量密度提升空间不足,严重影响车辆的续航里程,存在起火、漏液的
2、安全隐患,因此,越来越多的企业进行固态电池的技术研发。采用固态电解质的动力电池不仅彻底解决了安全性问题,同时可显著提高动力电池的能量密度,满足车辆的长续航里程要求。总结了固态电池的技术发展现状,分析了国内外固态电池技术的难点,为车企应用推广固态电池提供理论参考依据。关键词:固态电池;固态电解质;能量密度中图分类号:U463.6The Summarize of Current Development Status of Solid State Battery TechnologyZHANC Chunying,MA Yahui2,YI Zhengen,WU Yao,QIAN Xing,LIU Ji
3、ng?(1.FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute,Wuxi 214063,China;2.Powertrain Advanced TechnologyResearch Department,FAW Jiefang Commercial Vehicle Development Institute,Wuxi 214063,China)Abstract:The development of vehicle electrification requires batteries to have high energy density,h
4、igh safety,and high reliabilitycharacteristics.There is insufficient space for energy density improvement,which seriously affects the vehicles range.Liquid electro-lyte power batteries have safety hazards such as ignition and leakage.Therefore,more and more companies are conducting technologicalrese
5、arch and development on solid state batteries.The use of solid electrolyte in batteries not only completely solves safety issues,butalso greatly improves the energy density of the power battery,meeting the requirements of the vehicles long range.It analyzes the diffi-culties of solid state battery t
6、echnology at home and abroad,summarizes the current development status of solid state battery technolo-gy,and provides a theoretical reference for the application and promotion of solid state batteries by vehicle enterprises.Key words:solid state battery;solid electrolyte;energy density文献标志码:A文章编号:1
7、6 7 1-5446(2 0 2 3)0 4-0 0 0 1-0 5引言近几年,随着动力电池被广泛应用到车辆动力系统中,人们对动力电池的要求也越来越高。其中,安全性一直是用户关注的焦点。目前大量装车的三元锂电池和磷酸铁锂电池均使用易燃的有机液态电解质,并使用高分子隔膜隔开正负极,电池在充放电过程中会不可避免地发生副反应,产生气体与锂枝晶,不仅影响电池寿命,同时容易引起电池热失控等安全问题,造成汽车自燃,引发了人们对锂电池安全性的焦虑。电池热失控主要由机械滥用、电滥用与热滥用诱发:如受到外部猛烈的碰撞、挤压导致电解液外溢、电池胀气,不恰当使用(过度充放电、内部短路等导致电池温度过高等2 另外,电
8、动汽车的续航里程成为用户购车的首选参数。要想车辆具有长续航里程,要求配备的动力电池具有高的能量密度和好的低温性能。笔者通过对电动出租车司机的采访了解到,纯电动出租车或者网约车在冬季的实际续航里程会降低50%以上,虽然能源成本较燃油车低很多,但是时间成本依然高于燃油车,严重影响用户的满意度和产品的推广。因此,动力电池企业与科研单位纷纷开始研究固态电池技术。采用固态电解质,不仅排除了易燃漏液的安全隐患,同时由于取消了隔膜,减少了电解质用量,缩减了电池质量和体积,显著提升了电池能量密度。本文通过调查研究国内外固态电池的技术*收稿日期:2 0 2 3-0 6-18作者简介:张春英(198 1一),女,
9、黑龙江哈尔滨人,高级工程师,主要研究方向为新能源动力系统技术开发。2发展现状,总结了固态电池技术的难点和重点,为车企与用户提供固态电池前沿技术进展信息和推广应用的参考依据。1固态电池技术概述1.1概念固态电池是使用固态电解质的电池。图1所示为液态电池与固态电池内部结构对比图。锂电池主要由正极材料、负极材料、电解质、隔膜4部分组成,其中电解质起到输送锂离子、传导内部电流的作用。液态电解质中的有机溶剂具有易燃性、高腐蚀性,并且无法解决锂枝晶问题,存在热失控风险,而固态电池中的固态电解质取代了液态电池的液态电解质、隔膜,缩减了电池包质量和体积,且不易起火燃烧,锂枝晶难以穿透电解质膜(SEI),具有较
10、高的安全性,是行业公认的动力电池未来发展方向。图2 所示为动力电池技术发展趋势液态锂电池结构变化负极石墨负极隔膜电解液正极负极中负极中固态正极中正极中固态电活性物电解质固态电活性物解质“质解质质图1液态电池与固态电池内部结构对比图3 600500F300现代车用动力类固态电解质。表1列出了3 种固态电解质的特点。各类固态电解质的性能表现各有所长,在离子电导率方面,部分硫化物可以和液态电解质媲美,而氧化物凭借良好的力学性能和电化学稳定性成为较好的材料选择 。目前,国际上主流厂家均以氧化物和硫化物这2 种技术路线为主。氧化物代表企业为QuantumScape。丰田、三星 SDI、宁德时代、Soli
11、dPower、LG 化学、松下等公司均选择理论性能最佳、但工艺难度极高的硫化物路线。国内部分新型固态电池企业目前亦集中于氧化物和硫化物,部分企业选择固液混合技术作为过渡方案使用。表1固态电池三大类固态电解质特点固态离子电导率电解质离子电导率相对适差异,但比硫化氧化物中,介于硫化物和物和聚合物有聚合物之间。更好的电化学学稳定性好,不易和力学稳定性。于分解和老化。固态锂电池电化学窗口相?具有延展性,通常对较窄,同时会有良好的界面接硫化物离子电导率最高。与锂金属进行触,但电化学稳定反应,其兼容性性有限。略差。在室温下离子导电正极性不足。通常选择聚氧化乙烯对聚合物大于6 0 的操作锂金属有高稳温度,以
12、达到良好定性。的离子电导率。高电压兼容性隔膜适用性宽的电化学窗对锂金属有良好的力无法用作高容量和厚口可适配高电学性能和电化学稳定电极电池的正极电解压的正极材料。性,可用作隔膜材料。表现出较低的晶界电在高电位下容高离子导电性使硫化锂空气电池阻,阻碍了锂枝晶的形易氧化,因此需锂金属电池成,但其电化学稳定性锂硫电池要正极涂层。低于氧化物。高比能2023年第4期锂金属兼容性长期运行稳定性易碎,由于循环过不同材料有所程中的体积变化,界面接触减少,可能形成裂纹;电化若用低电势正极和低充电率,聚合物电解质的灵活性可延长循环寿命。正极电解质适用性质(电导率不够)。物成为一种有前途的正极电解质材料。如果电池可以
13、在更高全固态锂电池大多数具有有200更安全高比能改进的锂离字电池100过孝的锂李电池更安全子02010年2015年22020年2 0 2 5年图2 动力电池技术发展趋势41.2分类根据液态电解质占电芯材料混合物的质量分数分类,电池可细分为液态(2 5%)、半固态(5%10%)、准固态(0%5%)和全固态(0%)四大类,其中半固态、准固态和全固态3 种统称为固态电池4。氧化物、硫化物和聚合物是目前常见的三大机械稳定性足以抵抗的温度下运行,则离子限的电化学稳锂枝晶形成。定性窗口。动力/储能电池未来发展方向工2030年电导率足以用作正极电解质。半固态电池:相比液态电池,半固态电池减少液态电解质的用量
14、,增加氧化物和聚合物的复合电解质,其中氧化物主要以隔膜涂覆和正负极包覆形式添加,聚合物以框架网络形式填充,此外负极从石墨体系升级到预锂化的硅基负极、锂金属负极,正极从高镍升级到了高镍+高电压、富锂锰基等正极,隔膜仍保留并涂覆固态电解质涂层,锂盐从LiPF。升级为LiTFSI,能量密度可达3 50 Wh/kg以上。半固态2023年第4期电池虽然减少了液态电解质的用量,但仍存在易燃的风险。全固态电池:相比液态电池,全固态电池取消原有液态电解质,选用氧化物、硫化物、聚合物等作为固态电解质,以薄膜的形式分割正负极,从而替代隔膜的作用,其中氧化物目前进展较快,硫化物未来潜力最大,聚合物性能上限较低,负极
15、从石墨体系升级到预锂化的硅基负极、锂金属负极,正极从高镍升级到了超高镍、镍锰酸锂、富锂锰基等正极,能量密度可达50 0 Wh/kg。2国内外固态电池技术现状目前,国内外参与开发固态电池的企业和机构主要集中在中、美、日、韩等国家。日韩在固态电池开发领域处于技术领先地位,欧美和国内多家企业正在发展固态电池核心技术,固态电池技术竞争日趋激烈。表2 为国内外参与开发固态电池技术的企业及机构列表。企业技术路线2021年5月公司发明专利突破2 0 0 件,2 0 2 2 年2 月2 5日下午,在山东淄博市齐鲁储能谷开工建设卫蓝新能源100CWh固态锂电池项目,总投资410 1元。2018年建成国内第一条固
16、态电池生产线,推出高安全性、高能量密度、柔性化固态电池产品,已在特种电源、高端数码等领域成功应用,在新能源汽车领域先行先试。清陶能源2022年2 月2 6 日,总投资510 元的清陶新能源固态锂电池产业化项目在昆山开发区破土动工,预计此次开工的固态锂电池产业化项目建成投产之后,将达到年装机量1GWh。2017年投资56 Ah固态锂电池,能量密度(2 40 5)Wh/kg,循环寿命不小于150 0 次;10 Ah固态锂金属电赣锋锂业池,能量密度(3 50 5)Wh/kg,循环寿命不小于3 0 0 次;固态锂电池模组,能量密度不小于2 10 Wh/kg。2022年已向东风汽车交付50 辆固态电池电
17、动汽车,2 年实现固态电池量产,在台湾建成1CWh工厂。2019年与蔚来汽车公司达成合作意向。辉能科技2022年获得梅赛德斯奔驰数百万欧元投资,双方将共同开发下一代电动汽车固态电池电芯。蜂巢能源的原型样件能量密度达到3 50 Wh/kg,通过针刺和2 0 0 热箱试验,预测循环寿命超过10 0 0 次;蜂巢能源基于果冻电池技术的镍、钻、锰(NCM)短刀L600电池已经成功通过针刺试验,不起火,不冒烟,能量密度达到2 3 0 Wh/kg。宁德时代硫化物比亚迪氧化物/硫化物2022年表示全固态锂电池在重庆生产,即将装机。孚能科技一国轩高科硫化物中科深蓝汇泽聚合物太蓝新能源氧化物恩力动力硫化物张春英
18、,等:固态电池技术发展现状综述科技等;Sakit3,Excellatron,SEEO Inc,Solid Power,QuantumScape,美国Fisker,Ionic Materials,Solid Energy 等;丰田、日立、本田、松下、小原、索尼、物质材料研究机构、日本TDK等;韩国三星SDI、LG 化学SKI等;法国Bollore,BatScap等;英国Dyson,Ilike,Ricardo 等;德国Bosch、大众、宝马等;加拿大Hydro-Quebec,Clabat等。2.1国内固态电池技术现状2013年以来,国内各大车企与动力电池企业也相继开始了固态电池技术开发业务,涉及氧
19、化物、硫化物和聚合物电解质技术。表3 所示为国内主要企业及固态电池技术路线的选择。由于固态电池制造技术存在一定难度,国内部分动力电池厂家首先以半固态电池作为产品化技术路线,预计在2 0 2 5年前推广上市,而固态电池量产的预测时间为2 0 3 0 年。表3 国内主要企业及固态电池技术路线1业务进展情况表示可以做出固态电池样品,但是距离实现固态电池商业化还有很远的路要走。2022年9月推出半固态电池。研发高安全性半固态电池,单体能量密度达3 6 0 Wh/kg,配套车型的电池包电量达16 0 kWh,续航里程超过1 000 km。原位固化的设计发明在2 0 14年获得专利授权,2 0 2 2 年
20、8 月获得春华资本的天使轮投资。2022年初公司已启动“2+10”亿瓦时固态锂电池自动化生产线建设,项目落地重庆两江新区,第一条2 10Wh产线将于年内实现批量生产,同步将启动10 Wh生产线建设。初代产品可实现3 50 Wh/kg,可以实现10 min连续快速充电和放电,可以在-2 0 6 0 使用。已成功制造出1.2 Ah/3.6Ah/10.0Ah级软包型和多种圆柱型混合锂金属电芯,能量密度高达52 0 Wh/kg、体积能量密度达110 0 Wh/L。其硫化物固态电解质的锂金属负极全固态原型电池可实现10 0 0 次以上满充放电循环(容量保持率大于80%),该电池拥有10 C的充放电性能以
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