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提升25倍!电池巨头推新品,硫化物固态电池为何“受宠”?

日期:2024-01-03    来源:DT新材料

国际充换电网

2024
01/03
08:35
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关键词: 硫化物固态电池 电动汽车动力电池 新能源汽车

1月2日,日本大型电池企业麦克赛尔(Maxell)表示,其开发出了圆柱形全固态电池,样品最早于2024年1月出货。

据悉,该电池使用的是硫化物固态电解质,容量可达到200毫安时,是传统陶瓷封装型容量的25倍。

Maxell成立于1960年,是日本国内第一家研发生产碱性电池、软盘等产品的企业,1964年Maxell成为日立集团的子公司。


除了Maxell,日本在2021年的东京奥运会上已有装载硫化物全固态电池的电动汽车被使用。而就在不久前,丰田汽车和日本出光兴产石油公司也宣布就纯电动车用硫化物全固态电池量产方面展开合作。

此外,美国Solid Power也已完成了硫化物固态电池自动化生产线的安装并启动试生产。其硫化物固态电池采用富硅阳极,能量密度达390Wh/kg,循环寿命超过1000次。

什么这么多知名企业如此看好硫化物固态电池?

硫化物电解质主要由硫、氧、氢等元素组成,代表式为Thio-LISICON和Li2SiP2S12体系,前者化学通式为Li4?xA1?yByS4(A=Ge、Si等,B= P、Al、Zn等)。

硫化物电导率最高,兼具加工性能,潜力最大,具有以下优势:

(1)由于硫原子具有较大的原子半径、较小的电负性以及较低的锂离子结合能,硫化物与氧化物、聚合物等离子导体相比一般有更高的锂离子电导率,部分硫化物电导率甚至达到或超过了传统液态电解液。

(2)硫化物密具有较低的密度。在相同的厚度条件下,硫化物相对更低的密度能有效地减少重量,从而带来更高的重量能量密度。

(3)硫化物具有较低的硬度,挤压过程中更加容易变形,因此,其致密度更容易提升,其与阴阳极活性材料的接触相对会有所改善,从加工性能的角度上讲也更加便捷。

不过当前,硫化物固态电池仍存在一些挑战。

在材料层面,尽管硫化物固态电解质具有较高的离子电导率,但空气稳定性差且电化学稳定窗口(ESW)窄,阻碍了其大规模的生产和应用。对于电极材料,硫化物全固态电池将采用高电压、高容量的正极材料(如高镍NCM和富锂层状材料)和硅基或锂金属负极,以实现高能量密度。然而,这些高容量正极和负极大多存在结构失稳的问题,如正极的机械破碎,以及负极的大体积膨胀和低库仑效率。

在界面层面,由于电极和固态电解质之间的不稳定性,硫化物全固态电池面临一系列界面问题,包括空间电荷层(SCL)、界面副反应和机械不稳定性,界面问题将导致活性材料|电解质界面形成Li+耗尽层,阻碍电荷传输。界面问题可引入缓冲层进行缓解,例如正极包覆层和负极人造SEI层。然而均匀缓冲层的设计和构建仍然具有挑战性。

复合电极层面,缓慢的离子/电子传输动力学和机械失效是限制ASSBs电化学性能的瓶颈。AM、SEs、粘结剂和导电碳的不均匀分布,质量比,每种成分的形态和混合方法都会影响电极性能。复合电极中的机械失效,包括颗粒裂纹和孔隙的形成,会中断Li+/e?通路,并导致锂枝晶生长和内短路。在制备和运行过程中向复合电极和电池施加足够高的压力是缓解机械失效的最有效方法。然而,最佳压力值和施加压力的方式仍然不能确定。

在单体电芯层面,硫化物全固态电池的能量和功率特性以及寿命与材料、界面和复合电极层面的问题高度相关。只有在解决了上述挑战之后,硫化物全固态电池才有可能实现更高的能量密度、更好的功率能力和更持久的电池的愿景。此外,还需要对硫化物全固态电池的安全性进行综合评估。

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