全固态电池获突破,或将在未来取代锂电池

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电动汽车的一大局限在于电池续航。目前最主流的电池技术是磷酸铁锂电池和三元锂电池。不过最近固态电池技术发展迅速,特别是全固态电池获得了突破,在未来有望取代锂电池,成为新能源电动汽车的新动力。

来自东京理工大学、AIST和山形大学的研究团队近日发明了一种恢复低电阻的策略,从而在全固态电池商业化道路上迈出了坚实的一步。他们还探索了基本的还原机制,为从根本上了解全固态锂电池的工作原理铺平了道路。

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由于传统的锂离子电池已经不能满足先进技术的标准,例如电动汽车需要高能量密度、快速充电和长循环寿命,因此全固态锂电池已经成为材料科学和工程领域的新热潮。全固态电池使用固体电解质而不是传统电池中的液体电解质,不仅符合这些标准,而且相对来说更安全、更方便,因为它们有可能在短时间内充电。

然而,固体电解质也有自己的挑战。重要挑战之一是,正极和固体电解质之间的接口显示出一个大的电阻,其根源还不太清楚。此外,当电极表面暴露在空气中时,电阻增加,使电池的容量和性能下降。虽然已经做了一些尝试来降低电阻,但没有人能够将其降低到 10Ω cm2(欧姆-厘米-平方),即报告的不暴露在空气中时的界面电阻值。

最近发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》的一项研究中,由日本东京工业大学(Tokyo Tech)的 Taro Hitosugi 教授和东京工业大学的博士生 Shigeru Kobayashi 领导的研究小组可能最终解决了这个问题。

通过建立一个恢复低界面电阻的策略,以及解开这种减少的机制,该团队为高性能全固态电池的制造提供了宝贵的见解。这项研究是东京理工大学、日本国立高等产业技术研究所(AIST)和山形大学联合研究的结果。

首先,该团队准备了由锂负极、钴酸锂正极和 3PO4 固体电解质组成的薄膜电池。在完成电池的制造之前,该团队将钴酸锂表面暴露在空气、氮气(N2)、氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)和水蒸汽(H2O)中30分钟。

令他们惊讶的是,他们发现与未暴露的电池相比,暴露在 N2、O2、CO2 和 H2 下并没有降低电池的性能。Hitosugi 教授说:“只有H2O蒸气使Li3PO4-LiCoO2界面强烈退化,并使其电阻值急剧增加,比未曝光界面的电阻值高10倍以上”。

该团队接下来进行了一个称为“annealing”的过程,在这个过程中,样品在 150°C 的温度下进行了一个小时的电池形式的热处理,即沉积了负极。令人惊讶的是,这将电阻降到了 10.3Ω cm2,与未暴露的电池的电阻相当。通过进行数值模拟和尖端测量,研究小组随后发现,这种降低可归因于“annealing”过程中质子从二氧化锂结构中的自发移除。

Hitosugi 教授总结道:“我们的研究表明,钴酸锂结构中的质子在恢复过程中发挥着重要作用。我们希望这些界面微观过程的阐明将有助于拓宽全固态电池的应用潜力”。

丰田2025年将推出固态电池汽车

作为最早研究固态电池的车企之一,丰田将于2025年推出固态电池量产版车型早已不是秘密。不过在近日召开的CES2022上,丰田首席科学家兼丰田研究所所长吉尔·普拉特(GillPratt)重申,第一款配备固态电池的丰田汽车并不会采用纯电驱动,其仍将配备内燃机。

他同时表示,相关开发正在按计划进行,第一辆采用固态电池技术的丰田汽车将在本世纪上半叶也就是2025年前后到来。

丰田研究所所长吉尔·普拉特

对于为什么丰田优先考虑在混合动力汽车上而不是纯电汽车上采用该技术这一疑问,普拉特表示,是因为目前的电动汽车对于电池容量的需求明显高于混动汽车,由于目前固态电池造价非常昂贵,在纯电动车上采用的成本要高出混动车型不少。虽然在2025年之前相关成本可能会下降,但仍然不足以把成本降低至可控范围内。

出于这个原因,丰田将首先将该技术应用于混合动力车型,因为它们的电池更小,因此不会因为电池而对汽车成本产生太大影响。该公司还将混合动力车视为固态电池的测试平台,根据普拉特的说法,因为混动车型电池的充放电次数更为频繁,混合动力车型能给固态电池带来更严峻的考验。一旦测试后未发现问题且成本下降到足够低,这些电池最终将安装在纯电动汽车上。

固态锂电池与传统锂电池的区别

“全固态”跟“固态”是不一样的,“全固态锂动力电池”是一种在工作温度区间内所使用固体正负极和固体电解质,不含有任何液体,所有材料都由固态材料组成的锂动力电池,所以全称是:全固态电解质锂动力电池。

全固态电解质锂动力电池的原理与液态锂动力电池相同,只不过其电解质为固态。全固态电解质锂动力电池具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升动力电池容量。目前,全固态电解质锂动力电池需攻关的技术难点有:

固态电解质材料的锂离子电导率偏低。

固/固界面接触性和稳定性差。液体跟固体结合是很容易的,渗透进去,但是固体和固体接触性和稳定性就不是太好,这是全固态电解质锂动力电池很大的一个问题。

金属锂的可充性问题。在固态电解质中,金属锂的反复充放电的循环性,甚至安全性等还需要研究。

制造成本偏高。全固态电解质锂动力电池制备工艺复杂,且固体电解质较贵,现阶段全固态电解质锂动力电池的成本较高。

固态动力电池发展的路径是:电解质可能是从液态、半固态、固液混合到固态,最后到全固态。全固态锂动力电池若产业化,将彻底颠覆全球电池产业

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