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日本大力發(fā)展固態(tài)電池的原因分析

日本大力發(fā)展固態(tài)電池的原因分析

發(fā)布人:Jay 發(fā)布時間:2021-08-20 瀏覽次數:3692

導讀:新能源電池中三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池都是目前電池的主流方向,但為什么日本會背離市場之道而大力發(fā)展固態(tài)電池呢?


最近,就有外媒報道日本在固態(tài)電池方面發(fā)力,三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池我們聽的多,為什么日本會選擇固態(tài)電池作為發(fā)力的方向呢?


原理層面


如今多數純電動汽車,采用的電池組是以鋰電池為主,其中的結構是充滿在電池內部的電解液。電解液是鋰離子來回移動的通道,鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等量電子的嵌入和脫離。在充放電過程中,鋰離子在正、負極之間往返嵌入與脫離嵌入的循環(huán)。

而當電池在充電時,正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。

固態(tài)電池的“固態(tài)”,指的是電池內部所使用的不再是電解液,而是采用固態(tài)電解質的同時還能減少電池內部的隔離層。


優(yōu)勢層面


之所以固態(tài)電池開始被重視,很大一部分的原因是由其內核所引起。一般來說,常見的鋰電池是以石墨為原材料,石墨的理論比容量僅為372mAh/g,遠遠無法滿足高比能鋰離子電池的需求。固態(tài)的電解質則能以金屬Li作為負極,其理論比容量可達3860mAh/g,是一種理想的高比能電池負極材料。理論比容量更高的時候,可以令電池的能量密度提升。

提高了能量密度之后,最大的好處便是實現(xiàn)相同電池容量單位體積的縮減。換句話說,就是電池包的容量不變,但整個的體積可以得到縮減。并且,少了傳統(tǒng)鋰電池當中的隔離層和電解液,不但減少40%的體積和25%的質量,還能將正負極之間的距離減少至幾微米甚至十幾個微米,為鋰電池的輕薄化發(fā)展提供了技術的基礎。

除此以外,安全性也因為電解質的變化而得到進步。研究表明液態(tài)電解質的鋰離子電池在90℃左右就開始發(fā)生自放熱反應,并在178℃左右引起了電池熱失控,而采用固態(tài)電解質的Li/LFP電池自放熱溫度提高到了247℃以上,并且整個過程未發(fā)生熱失控。


聚合物鋰離子電池原理


短板突破層面


但固態(tài)電池在現(xiàn)階段的短板,讓其仍未能大規(guī)模使用在新能源車之上。首先是成本問題,以如今的水平推算,小規(guī)模生產的成本大概在750-2500美元/每千瓦時,整個市場至少要達到1億個/年的水平,每千瓦時的單價才會下降至75-240美元的區(qū)間。

其次是固態(tài)電池本身,由于正極制作材料以過渡金屬氧化物顆粒,正負極之間以固界面的方式接觸,其接觸面積小使得界面阻抗大,從而影響電池的充電速度和循環(huán)壽命、倍率性能差等問題的出現(xiàn)。


電池內部詳情


而且固態(tài)電解質材料限制大,電池整體阻抗和倍率性能低。固體電解質是固態(tài)電池的核心,目前應用的固態(tài)電解質有三種體系:聚合物、氧化物、硫化物。這三種固態(tài)電解質材料共同的缺點是:低離子電導率。低離子電導率會阻礙鋰離子在電池正負極之間的運動,導致鋰離子傳輸速度和效率降低,在高倍率大電流下運動能力變差,電池能量密度和功率密度都將下降。


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