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固态电池又有新突破!中国科学院青岛能源所在全固态电池研究方面取得新进展

2024-05-24 09:19:11 来源:每日经济新闻
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简介:近日,据中国科学院青岛生物能源与过程研究所消息,该所固态能源系统技术中心研究团队利用熔融黏结技术成功制备出了一种具有出色柔韧性的超薄硫化物固态电解质膜。这种膜具有优异的力学性能、离子电导率以及应力耗散特性,能够有效抑制电池内部应力不均导致的机械失效。
固态电解质作为新型电池材料,一直是研究的热点之一。然而,传统的固态电解质材料往往存在着力学性能较差、界面稳定性不佳等问题,限制了其在实际应用中的发展。

近日,据中国科学院青岛生物能源与过程研究所消息,该所固态能源系统技术中心研究团队利用熔融黏结技术成功制备出了一种具有出色柔韧性的超薄硫化物固态电解质膜。这种膜具有优异的力学性能、离子电导率以及应力耗散特性,能够有效抑制电池内部应力不均导致的机械失效。

这种膜不仅具有优异的力学性能,在拉伸和弯曲等应力下都能保持较好的稳定性,而且具有较高的离子电导率,能够有效提高电池的电荷传输速率。此外,膜材料具有良好的应力耗散特性,能够有效减轻电池内部应力不均带来的机械失效问题。


图片来源:中国科学院青岛生物能源与过程研究所官网截图

研究团队针对目前干法制备过程中各组分分散不均问题,提出低压力制备的熔融粘结策略,在粘流态下将低粘度的热塑性聚酰胺(TPA)与硫化物Li6PS5Cl进行预混,较低压力下(≤5MPa)热压成型,诱导TPA在硫化物颗粒间隙渗透,构建聚合物逾渗网络,实现超薄成膜(厚度≤25μm)的同时,兼具优异的柔韧性、热塑性、可弯曲性、拉伸性和较高离子电导率(2.1 mS/cm)。使用同步辐射X射线断层扫描(SX-CT)对循环过后的对称电池进行观测,发现该超薄膜能够有效抑制循环过程中因电极体积膨胀带来的界面分离和电解质碎裂等问题,保持界面稳定,证明在固态电解质内部构建完整的聚合物逾渗网络,不仅有利于其薄层化,更有利于耗散电池运行过程中的不均匀内应力,降低力机械失效风险。


硫化物固态电解质膜的照片和SEM展示以及SX-CT对应力耗散机制的解析
图1 硫化物固态电解质膜的照片和SEM展示以及SX-CT对应力耗散机制的解析。图片来源:中国科学院青岛生物能源与过程研究所官网

研究团队以正极和薄层电解质的界面熔融粘结为策略,制备出的一体化全固态电池,适配锂铟负极,707次循环后容量保持率大于80%;适配纯硅负极(μSi),478次循环后容量保持率大于80%,可循环2000次。在高负载NCM83(28.5 mg·cm-2)||μSi全电池中,经过9200小时、1400次循环后,其面容量保持大于2.5 mAh·cm-2,循环寿命超过10000小时,进一步提升NCM83载量到53.1 mg·cm-2,其能量密度超过390 Wh/kg,1020 Wh/L,高于目前文献所报道的高镍三元体系的硫化物全固态电池。研究团队基于该策略分别组装了Bipolar(5-8.5V)和高面载量(2.79 mAh/cm2)单片软包二次电池,表明熔融黏结技术具有出色的实用性潜力,对硫化物全固态电池的商业化具有重要意义,为全固态电池未来科学研究和工艺技术发展提供有力参考。


一体化硫化物全固态电池的长循环性能

图2 一体化硫化物全固态电池的长循环性能。图片来源:中国科学院青岛生物能源与过程研究所官网

据悉,基于硫化物固态电解质的全固态二次电池被认为是最具潜力的下一代新能源体系之一,其中聚合物/硫化物复合薄层化电解质的制备是该类电池大幅提升能量密度和大规模生产的最关键技术之一。特别是干法制造技术,因其环保、经济效益高、利于制备厚电极并规避有机溶剂等优势,受到广泛青睐。现今主要基于聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂成纤化的主流无溶剂工艺存在粘结性不佳、机械性能差、界面电化学不稳定等劣势。

据证券时报,目前,液态电池为全球锂电池主流技术,工艺及供应链成熟,成本低,但电池本征安全问题及能量密度限制其进一步发展。全固态电池使用固体电解质替代易燃易爆的电解液,实现电池本征安全,同时可以应用更高比容量的正负极材料,打开锂电池能量密度天花板,成为全面提升锂电池性能的必然选择。

根据不同的电解质类型,固态电池主要包括聚合物、氧化物、硫化物三种技术路线。相比其他两类材质的固态电池,硫化物电解质离子电导率最高,电化学窗口宽,柔度和可塑性好,是目前最理想的固态电解质之一。

目前海外主要企业如Solid Power、丰田、三星SDI等企业均选择硫化物路线作为固态电池技术方向,并以研发全固态电池为主;国内企业如卫蓝、清陶等均选择氧化物路线,并先行研制、生产半固态电池。虽各企业技术路径选择具有一定差异,但从现有趋势来看,氧化物与半固态、硫化物与全固态成为主流搭配,硫化物或成为全固态电池终局技术路径。

该研究团队的研究成果对硫化物全固态电池的商业化具有重要意义,为全固态电池未来科学研究和工艺技术发展提供了有力参考。

A股市场上,多家公司近期通过互动平台透露了其布局进展情况。

蓝海华腾投资的高能时代硫化物全固态锂电池研发进展顺利,目前已经完成20Ah级全固态电芯A样开发,同时高能时代正在搭建中试线,预计2024年年底可以实现5Ah以内小电芯量产。该股近期表现强势,月K线已三连阳,股价自2月低点的最高涨幅超200%。

厦钨新能在固态电池正极材料方面,聚焦于正极材料与固态电解质的匹配问题,在卤化物和硫化物全固态电池均实现初期量产。

容百科技已完成硫化物、氧化物等多种固态电解质材料的开发,并且成功开发湿法、干电极制备固态电解质膜技术,已与海内外客户展开合作,并获得客户好评。

当升科技在固态锂电正极材料及固态电解质领域已开展多年研发投入,已系统布局氧化物、硫化物、聚合物等主流固态电池用关键材料技术路线,可应用于半固态及全固态电池,相关固态锂电产品已实现批量销售。

恩捷股份在3年前就布局了全固态项目,主要从事全固态硫化物、固态电解质等相关材料的研发工作,并于2023年实现了技术和量产上的突破。

这些进展表明,固态电池技术正在不断突破和成熟,未来有望在各个领域得到广泛应用。随着市场需求增长和技术进步,我们可以期待固态电池将为电动汽车、智能手机等设备带来更高的性能和更安全的使用体验。
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