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                2022/12/17 NASA固态电池重大突破

                    2022-12-17

                近日,美国航空航天局(NASA)表示其研发的◥航空用固态电池取得了重大突破。

                NASA在其官方♂网站介绍,NASA目前所研发成功的固态电池的能量密度达到了500Wh/kg,几乎是目前最好的电动汽车电池能量密度的两倍——特☆斯拉公司的4680锂电池的能量密度约为300Wh/kg。

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                2021年4月,NASA宣布其改进固态电池充电效率和安全性项目(e Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety,“SABERS”)部门将为电动飞机研发固态电池,相较于现有的液态电解质锂离子◣电池,其具有更高能』量密度,电〓池体积更小,受到冲击后能够继续使用,起火风险也会更低。

                据了解,NASA的固态电池为硫硒电池,其电解质材料利用廉价↘并易获得的硫,电池还利用了 NASA 此前研发的“多孔石墨烯”材料,导电性好,质量也√较轻。由于固态▽锂电池没有液体电解液,因此降低了液体起火㊣ 爆炸风险。

                此外,在电池的封装上,与普通锂离子电池单个封装不同,NASA的固态电池在单个外壳内将电芯堆叠在一起,这种方法使得电池ζ 重量减少了30%-40%。

                “SABERS对电池的●新材料进行了试验,这些材料在放电方面取得了显著进展。在过去的一年里,该团队成功地将电池的放电率提高了10倍,其后又提高了ξ5倍,使研究人员◇距离为大型车辆提供动力的目〓标更近了一步。”NASA在其新闻稿中表示。

                据介绍,电动飞机和NASA的先进空中机动项目将是新电池技术的主要受益ξ 者。


                站上风口的固态电池

                无独有偶,最近,另外一则关于固态电池的消息也引发了公众广泛关注。

                据国内多家◥媒体报道,来自哈佛大学的华人教授李鑫与其学生叶露◇涵,研发的新型固态电池可重复使用1万次,充电速度最快3分钟,相较而言,目前最好的固态电池循环次数为2000—3000次。

                两人于2021年5月发表在《自然》(www.nature.com)杂志上的相关论文▓介绍了这种新型固态电池的原理。研究者在论文中表示,其制备了一种具有界面稳定性的多层结构锂金属固态电池,从而实》现了在超高电流密度下稳定循环且抑制枝晶渗透现象。

                电池多层Ψ 设计特点在于将不稳定的电解质夹在稳定的固态电解质之╱间,构成了“三明治”结构,且通过在不稳定的电解质层中实现裂纹良好的局部分解,抑制▅了任何锂枝晶的生长。

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                据上图所示,从左到右,“三明治”电池结构分布为锂金属负极→石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→单晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(镍锰钴811)正极。石墨介于锂金属负极和第一卐层固态电解质之╱间,主要用于隔热。

                据论文描∞述,夹在两边的第一层固态电解质为Li5.5PS4.5Cl1.5(LPSCI),特点在于对锂金属表现较为稳定,但容易发生锂枝晶↙穿透。它的存在能够稳定锂金属ζ 和石墨层的主要界面,并降低整体过电位。

                夹在中间的第二层电解质为Li10Ge1P2S12(LGPS),对锂金属』的稳定性较差,但不易发生锂枝晶穿透。中间的电解质可」换成Li9.54Si1.74(P0.9Sb0.1)1.44S11.7Cl0.3(LSPS),也能获得类似的性能表现。

                锂枝晶可以穿过石墨和第一层电解质,但到达第二层电解质时被拦截。通常的锂金属固态电池反复多次充放电,陶瓷︽颗粒中会频繁产生微米或亚微米级裂纹。裂纹一旦形成,锂枝晶穿透及短路现象就难以避免。“三明治”中间的这层固态电解质,让锂枝晶无法刺穿整个电池∏∏,从而ω避免了电池正负极发生短路甚至起火。

                不仅¤在安全性上得以提升,该技术以锂金属作为负极,LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2作为正极构成展现了优异的循环性能。其在1.5C(0.64mAcm-2)和20C(8.6mAcm-2)的放电倍率条件下,循环2000次和10000次之后,容量保持率◣达到81.3%和82%。此外,电池的微米级正极材料▓能够实现110.6千瓦/千克的比功率和高达631.1瓦时/千克的比能量。

                为了进一步推进对固╲态电池的研究,两名研究者已经成立了一家电池初创公司——Adden Energy ,叶露涵担任首席技术官。据报道,今年,Adden Energy融资515万美元(约3570万元人民币)。


                固态电池上车有何之难?

                放眼全球,固态电池并不是一个全新的产物。传统的液态锂ζ 电池中,锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池完成充放电过程。固态电池的原理与之相同,只不过〖其电解质为固态。

                早在2017年,总部设在加州安纳海姆的美国电卐动汽车公司Fisker发布了一『项固态电池专利,充电1分钟,续航800公里。创始人Henrik Fisker表示,该公司的固态电池会在2023年量产,价格只有传统锂电池的三分之一。然而2021年,Henrik Fisker表示,已彻底放弃固态电池计划。

                目前,全球范围内唯一实现动力固态电∑ 池商业化的是法国博洛雷集↑团(Bollore Group)。2011年10月,博洛雷集团开始在其自主研发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”上搭载由BatScap制造的固态电池,共投入2900辆电动车。但这款固态电池包⌒的容量只有30KWh,能量密度仅有110Wh/kg。

                在业内人士看来,固态锂电池的产业化,从技术层面来看,依然存在不小〖的挑战。

                首先是固态电解质的◤离子电导率较低,特别是在低温环境中。其次是电极—电解质的固固界面处的界面电阻大。此外,固态电池采用的预锂化硅碳负极或未来⊙的金属锂负极、高镍正极、固态电解质等新材料,完全颠覆当前的液态锂电池体系,生产成本远高于目前对应的材料,降本之路极其艰巨漫长。

                据了解,目前固态ぷ电解质材料有三种主流体系:聚合物,例如将①六氟磷酸锂掺杂到PEO中;氧化物,如锂钢锆氧化物(LLZO),NASICON等;和硫化物,如LPSX(X=Cl,Br,I)。

                这三种材料路线中,聚合物体系的优点是高温离子【电导率高,方便加工。但它在室温下离子电导率♀极低,制约了其发展。例如法国博洛雷牌固态电池就选用了聚合物体系,为了让电动车能在室温下正常工作,博洛雷集团特意为每辆车配◤载了加热器,发动前将电池系统升∴温至60℃至80℃。

                而氧化物体系的优点是综合性能佳,但电极之间的界面电阻高于聚合物体系。其中薄膜型产品对工艺技术要求苛刻,成本与规模化〖生产难度很大。非薄膜型产品是目前最可靠的电动汽车电池解决方案。

                硫化物体系的优点是离子电导率堪比液态电解质,这也是日韩公司丰田、本田、三星和中国电池巨头宁德时代选择的⌒ 技术路线。但硫化物体系的开发进度处于最初级,生产环境限制和安全问题是最大的阻碍,无法□ 商业化量产的风险也最高。

                尽☆管难度重重,然而,在追求未来锂电池能量密度和安全性的道路上,固态电池仍然被寄予了厚望。据了解,目前,全球范围内ω约有50多●家制造企业、初创公司和高校科研院所〗在致力于固态电池技术的◥推进。

                欧美方面,宝马集团2022年向总部位于美国科罗拉多州的固态电池初创¤公司Solid Power投资了1.3亿美元,计划2025年前推出搭载固态电♂池的原型车,2030年前实现量产。

                梅赛德斯-奔驰公司今年与美国马萨诸塞州固态电池创业公司Factorial Energy达成了※战略协议,将对其投资约10亿美元金额支持固态♀电池研发,并于2022年开始测试原型车,五年内实现小批量产。

                大众集团在2018年向位于美▓国硅谷的固态电池初创公司公司QuantumScape注资1亿美元,2020年又追加2亿美元。今年,大众集团宣布会在】2025年在其电动车辆上使用固态电池。

                日韩方面,丰田公司在2008年就与固态锂电池创企伊利卡(Ilika)展开了合作」,其计划在2025年推出采用固态电池的混合动力汽≡车。三菱、日产、松下等企业也都加速了固态电池布◤局。据了解,目前丰田公司拥有固态电池全球ぷ相关专利1331项,居全球第一,松下272项位居第二。

                国内方面,蔚来汽车在█去年1月9日的Nio Day上发布锂能量密度为150Wh/kg的固态电池,其计划2022年第四季度】实现量产。宁德时□代方面此前表示,公司第一代固态锂电池的能量与目前的锂离子电池︻大致相同,预计2025年推出,第二代固⌒ 态电池有望在2030年后推出。除此之外,孚能科技、蜂巢能源、赣锋锂业等国内企业也都宣布了固态电池的布局。


                (文章来源:澎湃新闻)

                【中顺新能╳市场部 2022年12月17日 责任编辑:小郑】

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