新一代全固态锂电池将带来能源革命

11月28日,清陶(昆山)能源发展有限公司和清陶(昆山)新能源材料研究院在昆山经济技术开发区隆重开业,并举办了「锂电池产业发展论坛 」,与会嘉宾深入探讨了全固态锂电池技术的发展之路和市场演进之道。

随着自动驾驶汽车、无人机和机器人等越来越多智能设备的出现,对动力的要求也越来越高,锂电池作为目前最主要的储能方式,对其储能密度和安全性的要求也提升到更高的水准。  

清华大学南策文院士表示,锂电池的市场需求非常巨大。北汽集团新技术研究院荣辉也认为,新能源是北汽一个坚定不移的目标,因为新能源汽车是对传统汽车的革命,也符合整个人类发展的趋势——你不能总是用高污染去做。尤尼电能运动科技有限公司李天宝则表示了无人机行业对锂电池的高度需求。

但锂电池在技术上非常复杂,需要正极、负极、电解质和隔膜等多种材料组成一个复杂的系统,要兼顾能量密度、功率密度、安全性、寿命、成本等一系列性能参数的协同设计和配合。

围绕锂电池的安全性与能量密度性能,世界各国都提出了明确的时间表与预期目标。就能量密度而言,美国的目标是在2025年达到 400 Wh/kg,而中国提出的指标是在 2020 年“十三五”结束的时候要达到 300-400 Wh/kg。目前来看,全固态锂电池技术是实现这些目标的最为可行的方案。但目前提到的大多数固态电池其实不是完全固态,依然有液态成分存在。而全固态锂电池在正负极之间只有一层完全是固态的电解质膜,没有任何的液态电解液,这是下一步比较全面的解决安全问题、同时提高储能密度的有效途径。总结起来,全固态锂电池的优势主要体现在:

1)高能量密度

目前全固态电池的能量密度可达400Wh/kg以上,相较于传统锂电池(能量密度100~220Wh/kg),有了一倍左右的提升。这意味着电池重量不变的前提下,手机待机时间、无人机飞行时间和电动汽车续驶里程可以延长一倍。

2)可实现柔性/微型化

由于没有电解液,全固态电池的封装工艺大幅优化,电池脱离了刚性外壳和尺寸的束缚。这一技术将为柔性电子技术的发展插上腾飞的翅膀。全固态电池、柔性显示技术、柔性电路板技术的协同,将实现电子产品的可任意弯曲、折叠。同时,电池的微型化将给半导体工业等领域带来一场新的变革。电池将成为集成电路中的基本单元,电子器件就有了强劲的“心脏”。

3)安全可靠

2016年,三星Note7手机爆炸事件引起了全社会的极大关注,一时间锂电池的安全问题成了街头巷尾热议的话题。引起电池爆炸的主要原因是电池热失控造成的电解液剧烈反应(热失控可能由外部剧烈碰撞、外界温度过热、内部循环短路、工作电流过大、充放电过度等多种原因诱发)。全固态电池用陶瓷固态电解质材料替代了电解液,从根本上杜绝了安全隐患,可以承受切割、撞击、钉刺、挤压等最严苛的安全考验,大家再也不用担心手机变成手雷了。

真正意义上的全固态电池可以同时实现以上三个特点,有别于聚合物电池、薄膜电池、凝胶电池等概念,是目前学术和产业界公认的未来发展方向,包括博世、丰田、东芝、苹果等知名企业都在这个领域有所布局。

但对于这些长远目标,每家公司的研究和产业路径都是不一样的。南策文院士提到了锂电池芯安全策略的三个阶段,实际上也是清陶在解决锂电池安全问题的方案与产业路径,首先是纳米纤维隔膜,其次是 Li 传导纳米陶瓷纤维隔膜,然后是新一代全固态锂电池。

目前,清陶公司已经做出了第一代产品——纳米陶瓷纤维的隔膜,而Li 传导纳米陶瓷纤维隔膜作为第二代产品也即将量产,全固态锂电池正在清陶新能源材料研究院进行开发和中试。

清陶(昆山)能源发展有限公司由清华大学南策文院士团队创建,该团队是国内最早开展全固态锂电池技术研发的团队之一,是我国首个固态电池相关专利技术的发明者,也是我国功能陶瓷材料领域的权威机构。

清陶发展的子公司江苏清陶能源科技有限公司拥有占地50余亩的电池材料产业园,另一子公司清陶(昆山)自动化装备有限公司专注于锂电池生产线的设计开发。2016年,清陶发展成立了清陶(昆山)新能源材料研究院,拥有先进的材料制备加工和分析测试平台。目前清陶发展正从材料、器件、装备多个维度开展全固态锂电池产业化开发的联合攻关工作。

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