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固態電池技術:哪些接近商業化,還需要多少年?

作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 來源:中國國際電池展

隨著新一輪的資金投入,Wildcat Discovery Technologies正在積極擴建設備廠,成立電池團隊并加倍投入有前途的固態電池研究項目。我們曾向儲能專家請求澄清固態電池的過度宣傳。

每當《充電》雜志需要更好地了解最新的電池技術的復雜性或電池材料行業的細微差別時,我們首先會咨詢Wildcat Discovery Technologies。這批儲能科學家具有獨特的行業視角,因為他們利用自己專有的高通量的研究平臺來幫助其他公司,通過快速開發新材料改進電池。Wildcat在尋找更好的電池材料中占領導地位,該公司的組合化學技術可以比標準實驗室快10倍的速度制造和測試原型電池,這一過程非常適合優化材料,似乎有無限的配方可能性。

其結果是,Wildcat不僅了解所有頂尖電池化學組成的深層技術細節,而且對被認為下一代技術的商業化時間線表示有更多期待。

在過去十年中,隨著電池技術的發展,Wildcat一直都很忙碌。Wildcat最近完成了一筆超過2千萬美金的新一輪投資,在新的設備廠升級實驗室,聘請頂尖電池專家,開始R&D平臺認證,并將其內部項目擴展到固態電池技術的關鍵領域。

我們偶然發現在固態電池技術中有許多夸張的新聞稿和令人困惑的術語/概念。所以《充電》近期與Wildcat討論最新的電池研究,其中包括固態電池的競爭和最高獎項:一個固體電解質電池鋰金屬陽極。

01

固態狀態

目前新能源汽車中使用的大多數電池都是液態電解液,但研究人員正在尋找固體替代品有兩個原因:

1. 液體電解液是易燃的,更換它們將大大提高電池的安全性。

2. 使用新型陽極,固體電解質可以獲得更高的能量密度。

在媒體上產生很多混亂,因為固態的說法通常用于形容某種當前的可用技術發展的電池(例如,使用石墨陽極的固態電解質)以及在性能上有飛躍提升到理想型電池(例如,在鋰金屬電池中使用固態電解質)。

隨著技術不斷推進,石墨陽極固態電池在新能源汽車的應用趨近商業化,而理想型鋰金屬固態電池仍需要很多年。

Wildcat首席科學家Dee Strand解釋說道:“固態電解質在電池應用中并不新鮮,比如微型固態電池可能集成在筆記本電腦的電路板或其他電子應用中。但是,那些微型固態電池不適合大尺寸的汽車電池?!?/p>

這些類型的電池大多屬于固態標準陽極類別。一些電動汽車制造商聲稱,一兩年后,固態電池將出現在他們的汽車中,這也是事實。這很可能是石墨陽極設計的一些發展。

明確地說,固態石墨陽極電池確實提供了一些很大的優勢,包括提高了安全性。然而,能量密度的提高和成本的節省通常是遞增的。

真正革命性的進步將在固體電解質電池鋰金屬陽極準備商業生產。

在媒體上產生很多混亂,因為固態的說法通常用于形容某種當前的可用技術發展的電池以及在性能上有飛躍提升到理想型電池。

02

付出努力

開發可在新能源汽車應用固態電池不是件易事。固態電解質材料必須具有高離子導電性,這樣鋰離子才有快速來回移動性;必須具有電極穩定性;需要與陽極和陰極形成良好的界面;可大批量生產。尋找一種結合所有這些特性的固態電解質材料是非常困難的。

2011年,法國運輸公司Bolloré推出一款Bluecar,這是一款專為巴黎新能源汽車設計的共享服務。Bluecar采用鋰金屬聚合物(LMP)電池與固態電解質結合。然而,正如Strand指出,Bluecar在固態新能源汽車電池上并不是必定能成功的事。

Strand說:“他們使用固體聚合物電解質,但是電池必須被加熱到60℃才能使電解質工作,而且他們的汽車在車隊中使用,所以他們受到很好的控制?!?/p>

Strand并不了解其他主流汽車制造商在生產汽車使用過固態電池,但是許多公司都在積極探索這項技術。例如,豐田對使用硫化物電解質的固態電池進行研究。在去年10月豐田首席技術顧問Shigeki Terashi告訴Autocar:“我們將生產一款使用固體電池的汽車并在2020年公布,但固態電池的大批量生產將會推遲一些?!?/p>

Strand說:“硫化物的優勢在于它具有高導電性,缺點是陽極或陰極存在穩定性問題,所以必須要有一層保護涂層。從生產商的角度來講,硫化物也是極具挑戰性的,如果硫化物暴露在潮濕環境中會產生有毒氣體,因此硫化物產生的一些安全問題需要解決?!?/p>

固體電解質的其他材料包括聚合物和陶瓷。然而,那些解決方案沒有一個進入到新能源汽車的規模生產,在短期內,固體電解質的其他材料很可能采用某種形式的石墨陽極取代金屬鋰的階梯式改進。

Wildcat企業發展副總Jon Jacobs告訴《充電》:“使用傳統石墨陽極電池的固態電池的價值主張更加有限,與普通鋰離子電池相比,這種電池在能源方面并沒有真正帶來巨大的改善,但它可能會帶來一些安全方面的好處。傳統石墨陽極的固態電池可以成為理想型電池的敲門磚,可以用金屬鋰代替石墨陽極,你將會取得巨大進步?!?/p>

03

鋰金屬陽極的挑戰

金屬鋰陽極電池具有較高的理論比容量,可高達3860mAh/g(是石墨陽極372mAh/g的10倍);密度低達0.59g/cm3(石墨陽極的密度是2.26g/cm3,金屬鋰陽極電池較低)。

Jacobs解釋道:“要想在全固態電解質采用金屬鋰是件非常非常難的事,據我所知,沒有人真正接近使用鋰陽極和固體電解質電池來滿足電動汽車苛刻要求的商業應用?!?/p>

Strand解釋道:“當你有一個鋰金屬陽極,將鋰去掉,然后又一遍一遍地重新鍍上,最終得到的不是一個完美的金屬鋰,你最終得到的只是看起來像是一堆苔蘚類型、針狀物和有孔隙的東西?!?/p>

不需要的生長被稱為樹突。通過反復的充電和放電循環,這些尖的樹枝狀結構形成在鋰金屬的頂部。  

“固態電池的價值主張采用傳統石墨陽極電池是很局限性的。傳統石墨陽極的固態電池可以成為理想型電池的敲門磚,可以用金屬鋰代替石墨陽極。

Strand繼續說道:“這會產生很多問題,然而,使用鋰金屬和全固體電解質,對于高活性材料來說,你有很大的表面積。你有針狀的樹突,穿透隔膜,使電池短路,一般來說,你的電池不會持續很長時間?!?/p>

鋰陽極的挑戰,加上固體電解質的挑戰,使得通往理想固態電池的道路充滿挑戰。然而,根據Jacobs的估計,這些問題可能更容易一次解決一個?!斑@就是為什么研究人員采取兩種基本途徑來逐步解決這些問題?!?/p>

第一種途徑是上述的固態電解質和石墨陽極法。

第二種方法是使用鋰金屬陽極,但要找到穩定的非固體電解質——傳統的液體或半固體凝膠。然而,這兩種選擇都不理想。液體電解質會出現枝晶生長,導致低循環壽命。根據Jacobs的說法,凝膠狀電解質會好些,但也僅僅是好一點。

Jacobs還說:“凝膠電解質是一種固態電解質,但實際上混合少量的易揮發的傳統液體電解質。然而,當你開始把它放進去的時候,你已經消除了全固態電池的一個優點,那就是安全組件,你可以消除這些不穩定的東西。這種解決方案可能會找到一個有前途的市場,但并不是主流汽車制造商所期待的?!?/p>

04

Wildcat的研究

在2019年,Wildcat獲得美國能源部(DOE)的資助追求固態電池技術。價值高于122萬美金的資助款有助于Wildcat的內部研究項目,由于與合作伙伴合作的項目數年創紀錄,Wildcat開始接受那些商業合同。

Strand說:“有了新的資金資助,我們有能力將高產出工具應用于更持久、更大的內部?!?/p>

Jacobs補充道:“另外,我們還在美國能源部(DOE)的資助上增加大量自有資金,這現在是Wildcat的一項重點項目。對我們來說是一項大型項目?!?/p>

根據Strand的說法,Wildcat的內部研究主要包含三大主要方向。其中兩大方向都是理想型電池的敲門磚:鋰陽極的穩定性,開發固態電解質材料。能源部的撥款,旨在進一步發展固態電池技術,將用于這些努力。

Strand說:“我們正試圖解決鋰金屬陽極的能源和安全問題。同樣,我們面臨的挑戰是如何剝離和電鍍鋰,而不是以一堆細枝、苔蘚和多孔材料告終。為此,我們正在嘗試在鋰上添加保護層,這樣可以將材料固定,通過保護層仍然可以剝離和鍍鋰?!?/p>

關于固態電解質,Wildcat正在采取一種將聚合物與陶瓷相結合的混合方法。

Strand說:“很難找到一種對固態電解質所有性能都合適的材料。這就是我們為什么會選擇復合材料的原因,挑選性能最好的聚合物與性能最好的陶瓷結合?!?/p>

Wildcat的第三種途徑是開發高能無鈷陰極材料,被稱為無序巖鹽陰極。

Strand解釋道:“我們在陰極材料商取得很多很好的發展,像是在提高陰極導電性或功率性能上。我們現在開始通過了解基本失效機制提高電池循環壽命?!?/p>

事實上,Wildcat希望通過這三種途徑看到一個有鋰陽極和無序巖鹽陰極的固態電池。Strand說:“但是我們也相信鋰陽極和無序巖鹽陰極都具有很好的市場價值?!?/p>

05

新設備,新投資,新員工,新商業模式

Wildcat的研究通過公司的高通量平臺或HTP推動。

Wildcat首席執行官Mark Gresser解釋道:“我們正在努力解決我們高通量平臺的能源和安全問題,這是一個多種不同設備的組合,可以讓研究人員從材料合成的最初階段一直到全電池組裝和循環測試。這是一整套由野貓團隊自己設計和制造的定制設備。這使得我們的科學家能夠以如此獨特的方式進行研究?!?/p>

2018年,Wildcat更新HTP,與此同時在將更大的設備廠轉移到圣地亞哥。新設備廠占地23,000平方英尺,65%的空間容納HTP的幾項改進。

Gresser繼續說道:“我們已經有了一個環境干燥的房間和一個電池原型,所以我們現在有能力制作單層電池組和多層結構電池組,這是驗證來自我們高通量平臺的發現的一個很好的方法?!?/p>

很難找到一種對固態電解質所有性能都合適的材料。這就是我們為什么會選擇復合材料的原因,挑選性能最好的聚合物與性能最好的陶瓷結合。

改進的HTP還具有更好的自動化性能。Strand補充道:“我們有很多自動化技術,但我們都做了大幅度改進,更重要的是,我們現在可以通過一個集中數據庫連接起所有的信息?,F在,科學家們可以通過他們的筆記本控制檢測設備。他們可以做所有的實驗設計,運行設備,完成他們之前做不到的實驗?!?/p>

擴建設備廠在Wildcat不是一件唯一的新消息。公司近期還吸引了新投資商,其中有總部位于美國堪薩斯州威奇托的美國科氏工業集團 (Koch?Industries)的Flint Hills Resources和新型電池制造商InoBat。

Wildcat的商業模式是通過利用HTP對客戶進行調查研究。根據Jacobs表示,越來越多的客戶簽訂了2-3年的長期協議。這些新類型的籌備是Wildcat研究的理想選擇,因為公司的原料發現過程會開拓很多意想不到的領域。


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