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固态锂电池有望成为下一代储能电池技术发展方向

2017-11-3 14:21:34点击:

支撑我国新能源汽车产业的长远发展需要高比能电池,正极材料是制约高比能锂离子动力电池发展的瓶颈。业内共识,目前材料体系可用能量密度极限是350Wh/kg,提升锂离子电池正极材料比能量的方法——高电压和高容量。

  安全“芯”策略

  “容量越大,散热越慢,产热越大,电池越不安全!”武汉大学艾新平教授指出,锂离子电池的安全性问题严重制约了新能源产业的发展,而热失控是导致安全性问题的根本原因。例如,NCM、NCA材料在200~300℃内存在严重放热,加重了电池的安全隐患!

  对锂动力电池的安全性,艾新平认为,科研界要做的就是迎接这一挑战,实现电池高性能和高安全之间的平衡,建立从材料(基础)到单体(关键)再到系统(保障)的多级安全保护。

  就单体电芯来说,现有安全性措施如PTC限流装置、压力安全阀、热封闭隔膜等只是在一定程度上降低电池发生事故的概率,并不能从根本上杜绝锂离子电池的安全性问题。因此,急需发展新型的电池反应控制技术!如PTC电极、温度敏感电极材料、热封闭隔膜等,是解决电池安全性问题的有效途径,值得关注。

  艾新平团队的技术思路是,在隔膜表面涂覆一层具有较低熔点的热熔性微球,在高温下,微球融化、坍塌形成聚合物阻碍层,切断两级间离子的传输,中断电池反应,从而防止电池热失控。

  固态引领未来

  锂离子电池最近一个时期仍将是动力、消费电子和中小规模储能的最好选择,高镍/硅基体系是300Wh/kg电池体系的首选。

  然而,日、美、中三个主要电池生产国先后制订了高能量密度池的研发目标,希望在2020年展示能量密度达到400~500Wh/kg的原型器件,并在2025~2030年实现量产。各国为实现既定的高能量密度的目标,均在积极地进行新型电池技术的研发及应用。

  中国电子科技集团公司第十八研究所研究员肖成伟认为,中长期可以实现产业化的电池体系包括固态电池、锂硫电池和锂空气电池。就目前市场情况来看,一些国外企业研发出的全固态锂电池能量密度可达300~400Wh/kg,其有望成为下一代高能量密度动力和储能电池技术的重要发展方向。

  赣锋锂业许晓雄博士对此表示赞同,他认为,发展基于固体电解质的固态对推动我国高安全锂二次电池技术的应用推广具有重要意义和实用价值。而且在我国推动固态锂电池的产业化,时机与条件已经初步具备,需要协同、合作推进。

  事实的确这样,目前国内固态锂电池配套产业链的一些技术环节,如固体电解质已经取得一定突破。

  其实,全固态锂电池与传统锂电池一样,包括电池各单元(正极、负极、电解质),其工作原理与传统锂电池的原理相同。在电解质方面,固态锂电池采用固态电解质替代了传统锂电池中的液态电解质(有机电解液),当前主要以氧化物、硫化物、聚合物等作为固体电解质,这是二者的核心差异。

  据了解,目前国内电解质的研究主要集中在高电导率的复合型电解质等研发上,应用方面已经有了电池试制品,循环及安全性能优异。

  能量与安全性能持续升级,全固态锂电池的研发和应用已成为学术界和产业界的共识。但固态锂电池发展初期存在的许多问题不容忽视。清华大学材料学院南策文教授说道,固体电解质、正极材料体系的选择,固体电解质与电极材料之间的集成、界面反应,全固态锂电池的整体设计、封装,以及综合效能等问题均为“拦路虎”。

  锂电池回收“一个都不能少”

  一方面,由于目前锂电池尤其是高品质的动力电池需求旺盛,锂电企业把主要精力放在电池生产上,加上目前动力电池仍在服役期,能够回收的动力电池不够多,所以锂电生产企业对动力电池梯次利用和回收处理的关注不足。

  另一方面,未来几年,随着在用的大量动力电池陆续退役,锂电生产企业将面临着如何处理这些电池的巨大压力。而从经济性角度分析,目前现有废旧锂电池的回收设备及工艺只适用于含有镍、钴等稀有贵金属元素的锂电池,不适用于磷酸铁锂电池。但现实情况是,磷酸铁锂电池已在上大量使用,因此每年将有大量的磷酸铁锂电池从电动汽车上退役。

  所以,提前进行相关技术储备是极为必要的,回收工艺和设备的应用前景也非常广阔。

  基于先梯次利用后拆解再利用的原则,天津理工大学材料学院张联齐教授提出了一种绿色回收报废磷酸铁锂电池的新工艺,并建立了中试示范线进行了验证。通过此设备和工艺,可回收得到高纯度的正负极材料和其他副产品(外壳、铝箔、铜箔和电解液等)。

  针对大家特别关心的“磷酸铁锂电池回收价值不高、没人愿意回收”的问题,张联齐说道,“这些废旧电池如果不处理或者处理不好,不但会污染环境,而且还会造成资源浪费;另一方面,这些再资源化的正负极材料改性后重新掺杂到新浆料中,用于生产较低等级的动力电池,可以有效降低新电池的生产成本。