随着对电池安全性和能量密度逐步提升的要求,固液混合态电池迎来发展机遇,有望成为当前液态锂离子电池体系的补充。固态氧化物电解质以其较高的电导率、较宽的电化学窗口较好的稳定性及较低的成本,有望率先实现产业化。
随着对电池安全性和能量密度逐步提升的要求,固液混合态电池迎来发展机遇,有望成为当前液态锂离子电池体系的补充。固态氧化物电解质以其较高的电导率、较宽的电化学窗口较好的稳定性及较低的成本,有望率先实现产业化。
1. 安全与性能要求日益提高,固态电池应运而生 1)新能源需求迅速增长,对安全性和能量密度提出更高要求:新能源汽车销量快速增长,推动锂离子电池行业需求爆发。根据 EV Sales数据统计,2012-2022 年全球新能源汽车销量从 12.5 万辆增长至 1052.2万辆,CAGR 55.4%,渗透率从 0.2%提升至 13%。终端销量的强劲增长带动全球动力电池装机量快速攀升,2022 年全球装机规模达到517.9GWh,同比增长 71.8%。
2)电池能量密度持续攀升,液态锂电池性能逐渐达到上限。随着新能源汽车产业的迅速发展,汽车续航能力要求提升,从而推动对动力电池能量密度的追求持续攀升。根据我国汽车产业中长期发展规划,2025 年电池系统将实现 300Wh/kg 的突破,而关于传统液态锂电电池理论能量密度上限约 350Wh/kg,逐渐接近上限。研发和应用具备更高能量密度的动力电池作为传统锂电池的替代品成为必然趋势。
3)传统电池安全问题引发关注,新材料体系降低风险。传统液态电池电解液由电解质、有机溶剂和添加剂组成,工作温度通常不能超过 60℃,否则作为易燃物的有机溶剂可能高温燃烧,尤其在航空航天、电动汽车、储能电网等关键领域,电池安全问题更亟待解决。除此之外,电池充放电中不可避免存在锂枝晶的生长,可能刺破电池隔膜造成短路,进一步引发电池失控风险。因此,寻找材料替代可燃有机电解液是降低动力电池安全风险的重要解决方案之一。
4)依据电解液液体含量分类,锂电池可分为液态、固态混合态和全固态三大类。固态锂离子电池的工作原理与液态锂离子电池相似,固态锂离子电池主要由正极、负极以及固态电解质组成,最本质区别是将液态电池的电解液与隔膜替换成固态电解质,实现不用或者少用隔膜及电解液。
5)与主流液态锂电池相比,固态电池主要体现为: a)固态电解质本身不可燃,抑制锂枝晶生长提高安全性。1)液态电池常见液体溶剂如 EC 和 DMC 都是易挥发易爆的化学物,而固态电池使用固态电解质,本身不具备可燃性,可以不用或者少用有机溶剂,有效减少副反应发生,漏液风险小;2)固态电池的固态电解质本身绝缘可以充当隔膜作用;3)锂枝晶在固态电解质中减慢生长,大大降低了电池短路和自燃的风险。 b)固态电池可搭配更高能正负极活性材料,极大提升能量密度上限。1)液态锂电池电解液在高电压下极易氧化分解,且易与负极发生反应,固态电池电化学稳定性窗口宽,可能搭配负载 5V 电压,适配硅基(4200mAh/g)、金属锂(3860 mAh/g)等负极材料;2)液态锂离子电池中隔膜和电解液合计占据了电池近 40%体积和 20%质量,固态电池对其使用的减少实现减重。3)固态电池电芯可以实现先串联后并联组装的方式一次组装成型,固态电解质的安全性可以减少系统热管理系统需求,成组效率大幅提升,更有效利用空间。 c)回收方便。由于固态电池本身没有或者仅有少量液体,在回收时处理相对方便。
6)赣锋锂电发布混合固态电池产品,开启固态电池国内车端商业化进程:全固态电池从 20 世纪 50 年代就开始研究,已历时半个多世纪。2011 年10 月,法国博洛雷集团开始在其自主研发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”上搭载由子公司 BatScap 制造的固态电池,以聚氧化乙烯(PEO)作为电解质,磷酸铁锂作为正极,是世界上首次用于 EV 的商业化固态电池。2020 年,清陶能源建成全球首条固态动力锂电池规模化量产线,规划固态电池将于 2023 年率先应用于上汽自主品牌新款车型。2022年 1 月,东风风神 E70 50 台搭载赣锋锂业混合固液电池示范运营车正式发布,首批 50 辆新车将在江西、广州、浙江、江苏四个省份开启示范运营,开启了国内固态电池应用推广的商业进程。2023 年初,卫蓝新能源宣布和蔚来汽车合作,将其半固态电池产品应用于 ET7 车型,单体能量密度达 360Wh/kg。
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