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固态锂金属电池或为下一代动力电池方向宁德时代已投入研发

作者: 来源: 时间:2020-06-25

12月17日,第七届全球新能源汽车大会(GNEV7)在北京中国大饭店开幕。在下午举办的分论坛《商用车论坛:运营创新,实效如何》上,多位来自商用车领域的企业专家、高层领导者共同探讨未来新能源汽车发展前景。宁德时代研发经理郭永胜以《动力电池的下一代技术——固态锂金属电池》为主题进行演讲,介绍了宁德时代正在投入研发的固态锂金属电池。

宁德时代研发经理郭永胜

郭永胜介绍宁德时代在动力电池下一代技术有一定的布局,在固态电池方面做了很多探索和思考。为什么宁德时代要做固态的锂电池呢?传统的锂电池是石墨,最极限的密度是做到270、280kwh/kg,下一代技术是硅,把这个引入进来,能量密度能做到300kwh/kg,极限就是350kwh/kg,350以后到底用什么?可能就是锂做负极了,这并不是一个新的话题,已经有七八十年的研究历史,所以锂金属在传统的业态电解链里面面临很大的挑战。

那么,解决锂金属面临的挑战就是用固态,做固态锂金属电池可能是把锂金属用上,也能把高压的材料用上,同时兼容安全可行的选择,这个是宁德时代目前在未来一个研发的布局。其实对固态电池大家也不陌生,包括学术界、产业界都在关注这个事情,可以把固态电池分为三代,第一代就是把传统的锂离子电池里面换成电解质,这样的优势并不明显,因为换成固态电池以后,能量密度、体积能量密度比现有的传统的锂离子要低,正负极极片里面也需要有。

第二代就是把负极换成锂金属,正极用传统的正极材料,可以用高压,再往下一代,因为负极用了锂,正极材料可以用不含锂的材料,可以用硫,其他不含锂的都可以尝试,这样能量密度会有进一步提高的空间。郭永胜介绍宁德时代做固态电池之前,对全球做固态电池的企业做了调研,可以看到做固态电池的是一些大公司,他们做的整体上都是在欧美这块。

总结一下,主要是锂金属和传统的正负极材料企业在做,固态电解质分为三种,一种是主要的聚合物,另外一种是氧化物,再有就是硫化物。做固态电池,这三重固态电解质,最主要的就是锂子电导的问题,传质是关键中的关键,因为锂子电导本身的电导率有很重要的关系。郭永胜介绍了这三种固态电池目前全行业的研究进展。

首先,在聚合物方面,在2011年的时候,法国的Polymer公司在伦敦投资了再固态电池的车,这个车也是试运行的出租车,这个电池用的是PEO类的聚合物,这个是他们一个性能,就是扣电水平是1300周以上。宁德时代前些年也做了研究,以稍微大一点的电池,不用扣电电池做,大电池能做到80%,大概600周的水平,也做了整体安全的性能,所以固态性能,无论是在剪开或者是弯折,安全性没有大问题,这就是为什么做固态电池重要的因素。

聚合物面临一个很大的挑战,主要的问题就是低温的离子电导率,常温的离子电导率比较低,导致只能用磷酸铁里做正极,这样会导致整体的能量密度跟现有的传统锂离子没有优势可言,这是聚合物面临的问题。

对于氧化物目前参与比较多的,包括美国Sakti3的初创公司比较多,特别是Sakti3实验室,他们所拥有的氧化物做薄膜固态电池,这个是非常成功的,薄膜固态电池能够做到好几万周基本上不衰减,但是这个Sakti3就是把这个薄膜电池一层一层叠起来,宁德时代认为这个基本上不太可能,薄膜电池的成本非常高。这个作为EV用的纯氧化物也有一个问题,它本身氧化物,有离子电导率比较低,还有一个就是用氧化物做固态电解质有一个非常非常大的难题就是界面问题怎么解决,如果传统的正极材料是陶瓷类的,氧化物的也是陶瓷类的,都非常硬,两种非常硬的东西怎么样保证充分的接触界面是非常大的挑战。

还有就是比较重要的硫化物的固态电池,这个是比较领先的,他们也做了一些脚踏车和物流车,已经在用,用硫化物有一些优势,相对前面两种来说,一种就是适温电导率比较高,和传统的电解液相比,另外就是电解化窗口比较高,正极材料不能用的在这里面有可能实现。另外就是跟锂金属的兼容性还是比较好的。不是说硫化物就没有问题了,它的挑战也非常大,大家知道固态电池是一个很大的挑战。

宁德时代在固态电池上的解决思路是对正极材料做了一些保护,可以提高兼容的问题。另外对固态电解质本身,硫化物对空气是敏感的,对它的制造过程会有很大的挑战,这是宁德时代首先必须要解决的问题,通过对它本身的改进能够显著提高空气中的稳定性。目前宁德时代做的锂金属固态电池能做到300周以上,在82%。目前来说也是比较好的结果,就是能够证明这个固态锂金属电池是有可能的。

同时,宁德时代在研发过程中,也在关注固态电池的制造问题,固态电池整个制造工艺跟传统的锂离子的制造工艺是完全不一样的,每一步都需要新的设备,新的工艺在里面,所以宁德时代也同时进行工艺的研发。

郭永胜最后总结道,固态锂金属电池是一种有可能的下一代电池,它既能够保证高能量密度也能保证安全性,这是下一代电池的选择。宁德时代也在做固态锂电池方面的投入研发比较多,同时也在开发固态电池的制造工艺,固态电池目前还是处于非常早期的研发阶段,所以需要更多的同行一起交流,一起去促进电池技术的发展。

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