锂电池的极限突围

  • 日期:10-21
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锂电池获得了今年的诺贝尔化学奖,锂电池巨头古德诺(J.B. Goodenough)成为排名最高的获胜者。

该诺贝尔奖对锂电池意义重大。半个世纪以来,他们开发了可充电锂电池来创建可充电世界,但并未获得诺贝尔奖。并且,我们享受了本发明的所有便利。

但是这次真是太神奇了。

锂电池已广泛用于移动电话和计算机等消费电子产品,并且是我们日常生活中不可分割的工具。即使拒绝了汽车,它也作为动力电池添加到车身中,以提供能量来驱动车辆。锂电池的发展甚至已经成为电动汽车能否驶向未来的关键。它似乎迎来了自己的精彩时刻。

另一方面,锂电池又遇到了另一个转折点。这是锂离子电池在汽车工业中的认可。为了将锂电池发展为更合格的动力电池,国内外电池公司开始使用正极和负极材料来探索高镍三元锂电池的应用。锂离子电池已从NCM111和NCM523升级到NCM622和NCM811。当根据能量密度的方向重新调整正极的化学成分时,呈现了现有锂电池的短板。它不能平衡能量密度和安全性。无论是汽车还是消费者,都对其在汽车中的应用存在疑问。

如何解决高镍三元液体电池的安全性问题,固态电池能否成为下一代动力电池技术?锂电池的安全性,能量密度和成本能否支撑电动汽车的未来?回答这些问题后,锂电池将迎来真正的起飞。

液体电池的能量密度和安全性平衡

三元锂电池努力的方向集中在能量密度和降低成本上,而后者集中在安全性上。

自2017年以来,补贴政策增加了对能源密度的需求。最低系统能量密度阈值从2017年的90Wh/kg到2018年的105Wh/kg和2019年的125Wh/kg;最大补贴系数为120Wh/kg,160Wh/kg和160Wh/kg。

能量密度的增加直接对应于巡航距离的增加。电动汽车的电池寿命从200KM攀升至300KM和500KM。

为了适应能量密度向前和向上的速度,许多汽车公司放弃了更安全的磷酸铁锂电池,转而使用三元锂电池。到今年,三元锂电池的能量密度达到180Wh/kg。

增加能量密度的方法是改变正负材料系统,并减轻电池组件的重量。这两种方法都导致液态锂电池的热失控,最终导致事故。

中国科学院院士欧阳明高在最近的国际电池安全研讨会上提到,正极三元材料的镍含量持续增加,其氧气释放温度下降,正极材料的热稳定性不断提高。更差。氧释放温度的降低意味着锂电池更耐热,并且正电极材料易于分解以释放活性氧,从而导致电解质的氧化分解。其结果是,它产生更多的热量,导致锂电池的热失控。

如果减少电池组配件,例如薄隔膜,正极铝箔,负极铜箔,则可以减轻电池重量,降低电阻,提高性能,但也增加了短路的风险。

增加能量密度的代价是以循环寿命和安全性为代价,但是电动汽车的普及需要能量密度和安全性。因此,电池供应商探索使用正负极材料,新型安全电解质,安全隔膜材料和热管理为高镍电池,模块和PACK提供热安全解决方案。

欧阳明高说,正负电极和电解质层从多晶到单晶可以使氧气释放的温度增加100度;高浓度电解质可用于降低热保护功率,正极不会发生这种情况。反应。

当单元或PACK失控时,更复杂的BMS和TMS是抑制失控反应的网关。它可以防止由于过度充电或过度放电而损坏电池,并在必要时可以切断高压电气系统,以确保电池组的安全。

此外,为了警告和警告电池异常,防火和隔热材料是确保液态锂电池热失控时确保乘客安全的措施。

如果能够稳定其安全性,高镍三元锂电池应该是当前电动汽车最合适的电池。但是,谈到未来,这只能成为过去。

固态电池的技术储备

中国科学院物理研究所研究员陈立权指出:“要实现2020年及以后动力电池能量密度发展的目标,要达到能量密度大于500Wh /公斤,现有的液体电解质电池系统可能无能为力,以500Wh/kg的电池技术水平发展,固态电池系统的发展已成为必然,新的中长期发展能源汽车产业需要新技术储备,固态锂电池有望成为下一代汽车动力电池的领先技术路线,这只是未来二次电池的重要发展方向,也是当前的一项重要任务。”

液态锂电池触及安全性和能量密度的上限,国内外许多电池公司都在寻找下一代动力电池解决方案。至少到目前为止,在比较了许多电池的正负极材料和技术之后,固态电池被认为是突破锂电池瓶颈的最有希望的电池。 Goodenough先生是诺贝尔奖的获得者,他是全固态电池的坚定支持者,并且从事全固态电解液的研究已有多年历史。

为了更好地解决当前电动汽车电池所面临的各种问题,汽车行业的许多公司已将注意力转向下一代汽车电池技术。

特别是今年,固态电池的声音特别大。新的国内发电部队蔚来,爱知县和惠能签署了固态电池原型开发协议,该协议与汽车和青涛之间进行了合作。在欧洲,宝马投资了美国电池公司Solid Power;大众汽车投资了QuantumScape,该工厂可能从2024年或2025年开始批量生产;雷诺将在2025年之前使用钴含量为零的固态电池。

在日本,丰田,松下等23家汽车,电池和材料公司以及15个学术机构共同开发了电动汽车全固态锂电池。韩国LG化学,三星SDI和SKI共同开发了固态电池,锂金属电池和锂硫电池。

从热失控的角度来看,固态电池比目前的液态电池更安全。固态电解质或混合电解质可代替液态电解质,以避免内部短路并提高安全性。

当前由电池公司开发的固态电池尚未添加“全”字样。所有固态电池都受技术和成本的限制,并且难以批量生产。因此,固态电池作为过渡产品,从解决电池安全性开始,达到规模效应,降低了固态电池的产业化成本。

在《时代》杂志《能量密度高,成本低……这是真实的固态电池吗?》中,记者通过采访和数据收集来尽力探索固态电池的真实外观。我们知道固态电池比液态锂电池最明显的优势是安全性。但是在电池级,其技术尚未成熟,无法为能量密度的显着提高打开大门。

对于每个人都关心的工业化进程,国内的固态电池公司一般都处于试验阶段,从2023年到2025年是固态电池大规模生产的开始时间。

固体电池基本上是下一代电池技术储备中最先进的动力电池。但是其未来存在一些不确定性,需要逐步解决。

要实现液体锂电池平衡,固态电池技术还不成熟,但是我们对这些技术的突破充满了期望。锂电池领域的三项诺贝尔奖诞生于充满希望和怀疑的时刻。诺贝尔奖更像是过去对锂电池的认可,以及对未来的鼓励。

(编辑:DF387)