时间:2024-11-15 来源:
2019年10月9日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、M·斯坦利·威廷汉(M. Stanley Whittingham )、吉野彰(Akira Yoshino),以表彰其在锂离子电池的发展方面作出的贡献。
获奖原因为:“他们创造了一个可充电的世界”。
可实现稳定、高效充放电的锂电池技术及其大规模商业化确实改变了我们的生活。从手机、电脑等3C产品到电动汽车,它们无处不在,但随着需求的不断发展,锂电池技术似乎碰到了新的瓶颈。
锂电池技术天空中“阴影”
新能源汽车是当前锂电池应用最广泛的领域之一,在其发展的大好形势的下,却始终有两片阴影在游荡。
一是电池能量密度问题,二是电池安全性问题。
在新能源汽车高歌猛进的当下,里程焦虑问题一直被广泛讨论。但当前电解质动力电池体系下,电池能量密度提升受到了诸多限制。
以常用的锂离子电池为例来讲,其主要依靠锂离子作为电荷传输介质,在正极和负极之间来回来迁移进行运作。电池的构造主要为:正极,负极,隔膜,电解液。
电池构造
而为了保证正负极材料被电解液充分浸润,电池在生产过程中需要很高的注液系数,也就意味着需要大量的电解液,电池的整体重量就会大大增加;同时电池包中的隔膜也是让电池变重的一大因素,隔膜在保证锂离子于正负极之间穿梭的同时,阻止电子在正负极间的移动,具有安全保护和支撑作用,但隔膜作为非活性组件,本身不参与提供能量,增加的重量反而会限制电池能量密度的提高;与此同时,因为电池中存在电解液,使用更高效的负极材料(例如金属锂)的可能非常有限,作为一种非常活泼的金属,锂很容易与液态电解质发生副反应。
电池的安全性问题,也伴随着液态电解质体系而生。
锂电池中的电解液实际上就是一种使用有机溶剂体系的“锂盐溶液”。“有机溶剂”通常意味着易燃、易爆,“液体”意味着它会干涸、挥发、泄露……
电池燃烧需要高温、燃料、氧气,三个条件。而电池短路会产生高温,电解液中有机溶剂提供了天然的燃料,正极材料分解又会产生氧气。虽然锂离子电池通过采用耐高温陶瓷隔膜,优化电池结构设计,优化BMS,改善冷却系统等措施,可以在很大程度上提高安全性,但无法解决问题的根本。同时,锂枝晶也会影响电池的安全性。锂电池在充电过程中负极锂离子还原时会有析锂现象,形成的树枝状金属锂,而电解液无法有效限制锂枝晶的生长,一旦刺穿隔膜,电池就会短路。
充满想象力的固态电池
固态电池技术,顾名思义,是一种使用固体材料替代电解液的电池。
它被认为是引领下一次电池技术革命的方向之一。其最核心的特点是,用固态的“导锂”材料取代了现有的液态有机溶剂,从而彻底改变整个电池的设计。无论是电池能量密度问题还是安全性问题,在固态电池技术体系下,都会迎刃而解。
锂离子电池与固态电池对比
因为采用固态电解质,所以电池将不会再有大量的电解液、不再需要隔膜,电池自身重要将会大大降低。同时,在固态电池中,金属锂作为负极材料成为可能,将大幅提升电池的潜在能量密度。数据显示,市场上的磷酸铁锂液态电池单体能量密度约为160-180Wh/Kg,三元锂电池单体能量密度则在240-300Wh/Kg,而固态电池则可以达到450-500Wh/Kg。
安全性方面,固态电池也优势突出。固态电解质不易燃、不泄露、不挥发,从根本上保证了电池的安全性。液态电解液在高温(45 ℃以上)下会发生分解,而固态电解质可以在较宽的温度范围内保持稳定,因此全固态电池即使在高温下也可以保持良好的工作状态。同时,锂枝晶在固态电解质中的生长空间会被极大限制。
总之,固态电池的技术路线,为电池发展描述了一个富有想象力的未来,当前,产学研各界都在积极探索固态电池技术、从电解质材料、正负极材料的设计、选择到加工工艺的研发,相信不久的将来,固态电池大规模商用时代就会到来。