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新型电极材料有望让固态电池实现“弯道超车”

2022-12-16 16:56:56 综合报道 阅读:
一个由日本横滨国立大学的Naoaki Yabuuchi教授领导的国际科学家团队开发了一种新型电极材料,可在充电过程中保持稳定性,使电池能够承受数百次循环。

如今新能源汽车已经逐渐成为了汽车市场的主流,消费者除了关注产品的智能化、续航里程、产品力等方面之外,最关注的还是新能源汽车的动力电池,毕竟动力电池就是新能源汽车的 "心脏",动力电池越好,续航里程越长,安全性能也会越好。6y1ednc

固态锂电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质,取代以往锂电池的电解液,大大提升锂电池的能量密度。由于科学界认为锂离子电池已经到达极限,固态电池于近年被视为可以继承锂离子电池地位的电池。据SNE Researchd的测算,2025年我国固态电池市场空间有望达30亿元,2030年有望达到200亿元。6y1ednc

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2008年,特斯拉将锂离子电池装载在了跑车Roadster上6y1ednc

因为具有安全性能更强、体积小、成本较低、能量密度提升等优势,固态电池成为了全球范围内电池厂商和车企大力研发的目标,同时也让固态电池成为了市场的新风向标。不过尽管固态电池拥有诸多优势,市场前景非常好,但是由于固态电池技术和工艺等种种问题,让固态电池的发展仍处在起步阶段。6y1ednc

目前,有四大难题阻挡了固态电池发展的脚步:6y1ednc

  • 其一是缺乏高效的电解质材料,固态电解质是固态电池的主要材料之一,虽然在固体锂离子导体的单一指标上有所突破,但是综合性能未达到大规模储能需求,这是目前固态电池的固体电解质性能短板。
  • 其二是固体电解质和电极的界面处理,固态电池的固体电解质中锂离子传输阻抗很大,与电极接触的刚性界面接触面积小,导致在充放电过程中电解质体积的变化容易破坏界面的稳定性。
  • 其三是使用周期不稳定,由于固态电池在使用过程中让其内部结构和界面随着使用的时间而发生退化,影响到了固态电池的综合性能,让电池的寿命长短充满了不确定因素。
  • 其四是固态电池的原材料成本问题,其中使用的锂硫化物的价格比较贵,是目前液态电池中碳酸锂材料的五到十倍左右,并且固态电池对生产环境和原材料纯度要求极高,这就让厂家的前期投资成本较高。

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工信部在《中国制造 2025》中指出:“到2025年、2030年,我国动力电池单体能量密度分别需达到400Wh/kg、500Wh/kg。”6y1ednc

据报道,一个由日本横滨国立大学的Naoaki Yabuuchi教授领导的国际科学家团队开发了一种新型电极材料,可在充电过程中保持稳定性,使电池能够承受数百次循环。该材料由钛酸锂和二氧化钒锂构成,被研磨成纳米级的颗粒。作为电池电极,这种材料可以提供高容量,并使锂离子在充电和放电过程中双向流动。6y1ednc

这带来了一种在运行期间可以保持电池充放电容量不退化的电极材料,科学家们将其归结为一种微妙的平衡行为,当锂离子“离开”时,钒离子从其原来的位置迁移以填补这些空位。6y1ednc

Naoaki Yabuuchi教授说:“当收缩和膨胀得到很好的平衡时,在电池充电或放电时,也就是在循环过程中,稳定性得以保持。我们预计,通过进一步优化电解质的化学成分,可以开发出一种真正的稳定材料——一种在电化学循环中保持其体积的材料。”6y1ednc

研究人员表示,这种新型电极材料已经在固态电池中进行了测试,表现令人印象深刻,具有300mAh/g的高容量,也许最重要的是,在400次充放电循环中完全没有退化。这项研究成果已于近期发表在了《自然材料》杂志上。6y1ednc

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研究作者Neeraj Sharma副教授说,“在400次循环中,容量没有衰减,这清楚地表明,与传统的全固态分层材料电池相比,这种材料的性能更优越。”6y1ednc

要知道当前液态锂离子电池的能量密度极限约为280Wh/kg,即便向负极引入硅基合金,也很难突破400Wh/kg的密度上限,而今的三元锂电池的基础理论使用寿命也只有大约800次循环。可以说该款电极材料基本解决了固态电池的稳定性、密度和循环寿命问题,具备大规模应用的潜力。6y1ednc

不过所有的固态电池技术都还需面对一个亟待解决的课题:实验室的内外之差。6y1ednc

例如去年11月,市值超过福特汽车的美国固态电池初创公司QuantumScape宣布,电池单元原型在800次循环(100%放电深度)后,保持了80%以上的初始容量。但投资研究网站Seeking Alpha在一份公开报告称QuantumScape的电池“体积太小,从未在实验室外测试过”。 6y1ednc

Seeking Alpha认为,固态电池能在实验室外的真实场景中达到所需的倍率和温度功能,是非常,非常困难的,困难到没有人做过。“它们或许永远不会达到宣传的性能。” Seeking Alpha表示。6y1ednc

所以该国际科研团队可能还需要继续完善该电解质,研发能够真正服务于电动汽车所需的电池,使其具有更高的安全性和寿命,并且可以在使用场景中达到实验室中同样的性能。当然了,具有如此潜力的电极材料其前景是十分光明的,也许能让我们更早迎来真正的固态电池电动车时代。6y1ednc

责编:Ricardo
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