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中国科学家的“下一代电池”创新纪录
作为目前电池领域的“主力”，全固态锂离子电池正面临能量密度有限、伴随锂枝晶的安全隐患、锂元素原料供应紧缺等多重挑战。谁将是“下一代电池”的有力竞争者？全固态氟离子电池有望成为一股“新势力”。 近日，中国科学技术大学教授马骋团队设计出一种新型氟离子固态电解质——钙钛矿氟离子导体，首次实现室温下全固态氟离子电池的稳定长循环，在25℃下持续充放电4581小时后，容量没有发生显著衰减。相关研究成果日前发表于Small。 这一成果创造了全固态氟离子电池领域循环时间最长、容量保持率最高的世界纪录，让人们看到未来电池多元化发展的希望。 将“不可能”变“可能” “这一成果最重要的意义在于它是一种‘从0到1’的突破。”马骋介绍，由于缺乏合适的电解质，氟离子电池在很长一段时间内并不被业界看好，相关研究也极其稀少，而新型固态电解质的发现则将“不可能”变成了“可能”。 3年前，《科学》曾报道过一种可以传输氟离子的有机液态电解质，被誉为是氟离子电池“里程碑”式的工作。但由其组成的氟离子电池在室温下仅实现不到10个循环的稳定充放电，因此离实际应用还存在较大距离。 马骋介绍，构筑可传输氟离子的液态电解质极其困难，即便成功也存在安全隐患。如果能使用不可燃的无机固态电解质构筑全固态电池，毫无疑问将更有实用价值。 但是，这一技术路线颇具挑战——氟离子固态电解质的离子电导率大多偏低，只能在高温下工作；少数全固态氟离子电池虽然可在室温下充放电，但电化学窗口极窄，充放电不到10次容量就几乎衰减为0，没有实际应用价值。 在氟离子电池液态电解质存在“死结”的情况下，能否避开液态电解质直接探索固态电解质？ “离子越小、电荷越少，就越有可能在材料中快速迁移，从而成为合适的电池载流子。”马骋说，作为固态电解质的载流子，锂离子是除了氢阳离子外半径最小、电荷最少的阳离子，氟离子则是除了氢阴离子外半径最小、电荷最少的阴离子。 在找不到比锂离子更好的阳离子的情况下，氟离子作为与锂离子最接近的阴离子，是一个值得尝试的方向。 由于可借鉴的案例不多，马骋团队几乎是从“零”起步。他们历时两年研发的新型氟离子固态电解质——钙钛矿氟离子导体，采用了特别有利于阴离子传输的钙钛矿结构，在具备高离子电导率的同时，还拥有较宽的电化学窗口，突破了过去“高离子电导率”与“宽电化学窗口”不能兼得的重大技术瓶颈，且对于潮气的稳定性远超全固态锂电池常用的硫化物和氯化物固态电解质。 基于这一固态电解质的氟离子电池，性能远超《科学》报道的基于液态电解质的氟离子电池。业内人士认为，这一重要突破让人们看到全固态氟离子电池实用化的可能。 这个领域“有奔头” “这是一个存在很多挑战，但前景极为诱人的领域。”马骋说，研究中最能给自己带来乐趣的就是克服这些“看似不可能”的挑战。 与采用液态电解质的锂离子电池相比，全固态锂电池能量密度和安全性能均有很大提升。但与全固态氟离子电池相比，其能量密度、安全性能、原料供应的上升空间仍相当有限。 马骋透露，全固态氟离子电池理论能量密度最高可接近每升5000瓦时，约是目前商业化锂离子电池能量密度的8倍，也超过正在研发的锂空气电池。 就安全性能而言，全固态锂电池锂枝晶生长造成短路一直是难以克服的瓶颈。氟是电负性最强的元素，极难转变为相应的单质，不易形成锂枝晶，因此基于不可燃无机固态电解质的氟离子电池，安全性能无疑更好。 此外，氟元素地壳丰度约是锂元素的50倍，氟离子电池在原材料供应方面的压力远低于锂离子电池。马骋告诉《中国科学报》，我国萤石（主要成分氟化钙）资源在全球优势明显，氟离子电池可以充分利用这一优势。 “小荷才露尖尖角” “全固态氟离子电池‘小荷才露尖尖角’，如同一个初生的婴儿。”马骋坦言。 马骋分析，为氟离子电池构筑液态电解质极其困难，且容易起火，安全风险大。此外，固态电解质整体性能堪忧，研究力量也相当薄弱，“只有更多力量关注这个领域，才能突破相关瓶颈”。 全固态氟离子电池由固态电解质、正极材料、负极材料共同组成，只有三者同时具备优异的性能，这种电池才有可能投入实际应用。马骋表示，他们此次报道的新材料克服了固态电解质瓶颈，但目前仍然不存在性能令人满意的正负极材料。这也将成为课题组今后重点攻关的方向。 “全固态氟离子电池要想真正走进‘寻常百姓家’，不仅需要基础科学的突破，还需要综合考虑成本和可持续发展，因此仍然要经历漫长的过程。” 马骋说，“钙钛矿氟离子导体的发现为破解这些问题带来希望。一旦成功，全固态氟离子电池将以优异的安全性和极高的能量密度对新能源汽车、储能等重度依赖电池技术的领域带来颠覆性变革。” 相关论文信息：https://doi.org/10.1002/smll.202104508 作者：中国科技报 @桂运安 read more
动力电池新技术进展如何？固态电池即将商用
蔚来固态电池 1月9日，蔚来发布了固态电池包，总电量可达150kWh电池包，装配在ET7上，续航里程将超过1000km。 蔚来方面表示，该电芯密度达到360Wh/kg，电池包能量密度能提升50%。 蔚来汽车官方透露，搭载这种技术的蔚来电动车预计将于2022年第四度交付。这是首款明确确定了量产商用固态电池的车型。 可以看到，作为最有希望的下一代电池，固态电池似乎已经到达产业化应用的前夜。 被称为下一代的电池技术有很多，除了固态电池，还有锂空气电池、锂硫电池等等。 这些技术的进展如何？优势和短板又有哪些？ 2021年1月9日，国轩高科第十届科技大会第二天，中科院物理所研究院李泓、厦门大学教授董全峰和中国科学技术大学教授陈春华就对上述三种技术的进展状况进行了阐述。 1 固态电池有望率先量产 蔚来日上，蔚来透露，采用的固态电池采用了原位固态化技术。根据《电动汽车观察家》目前掌握的信息，北京卫蓝新能源科技有限公司一直在研发原位固态化技术，很有可能就是蔚来的供应商。 所谓原位固态化，通俗一点说就是把液体转化成固体，比如说先加入液体，加入液体之后就液体能够跟颗粒很好的浸润包覆，然后再将液态转化为固态。这样也能做到原子尺度的结合，而不是宏观的把它们（电极材料和固态电解质）压在一起解决。 根据中科院物理所研究员李泓的介绍，原位固化是物理所的成果，他们的核心理念是，通过注液保持良好的电解质与电极材料的原子级接触，之后通过化学或电化学反应，将液体电解质部分或全部转换为固体电解质，综合平衡高电压、安全性、锂枝晶、体积膨胀和接触内阻等问题。 北京卫蓝新能源科技有限公司作为中国科学院物理研究所固态电池技术唯一的产业化平台，正致力于将这一技术进行产业化。 具体来看，卫蓝主要通过七方面达到这一目的。 首先，原位固态化技术，解决固固界面问题，让固态电池充放电更快捷、持久和安全；其次，采用原子级键合技术，让固态电池循环过程更稳定；第三，采用复合金属锂技术，让固态电池能量密度更高，全寿命体积膨胀更小，循环寿命更长；第四，固态电解质技术，让固态电池能在高温状态下工作，显著提升电池安全性；第五，通过离子导电膜技术，让固态电池电极与隔膜直接界面更稳定，离子传导更快捷，来支持全固态电池发展；第六，三维集流体技术，让固态电池循环过程中的内阻更低，电子传导保持性更好；此外，还采用新型电池装备，让固态电池电芯具有新的性能，产品能够实现量产。 当然，市场上生产固态电池的企业数量很多，中国除了卫蓝，还有辉能、清陶、赣锋锂业、宁德时代、国轩高科等，几乎所有锂离子电池企业都在研发固态电池。他们的具体解决方案都略有差异。 在这些企业努力下，固态电池产业化似乎近在咫尺。 李泓预测称，2022-2023年，搭载混合固液电解质电池的产品将会出现。到2025年，有可能形成百Gwh体量，然后再逐渐替代液态电池。不过李泓也表示，到那时液态锂电池规模很可能达到800-1000GWh。固态电池也就是10%—20%的占比，所以要谈固态电池的产业化和占比，应该以10年时间作为发展尺度，才有可能形成一个比较高的市场占有率。 从行业发展程度也可以大致推断，蔚来ET7搭载的固态电池很大可能是固液混合电池，也就是半固态电池。 人类对高能量密度电池的追求是没有止境的。不过，尺有所长、寸有所短。从目前技术进展来看，能量密度越高的锂电池，其循环性能越差。 其中锂空气电池和锂硫电池就是典型。 2 锂空气电池难点颇多 先来看比能量最高的锂空气电池。 从材料来看，锂和空气都是自然界非常常见的物质，在某种程度上可以说是取之不尽用之不竭。 从数据上看，非水锂空气电池具有高达3449Wh /kg(以Li2O2 计算)的能量密度, 是目前商品化锂离子电池的5~10 倍。 仅追求比能量，锂空气电池显然非常合适，但是实际应用中，需要的是寿命、安全性、功率等等方面相互平衡。 […] read more
锂空气电池获技术突破，未来电动汽车电池成本将有望削减8成
据英国《金融时报》网站报道，化学教授克莱尔·格雷和她的团队前不久攻克了锂空气电池开发中的技术难关。 read more
2015广州车展首发/上市新能源车型汇总
电动邦为各位邦友梳理了本次广州车展上首发或上市的新能源车型，来看一看它们各自都拥有怎样的特点。 read more
“超级电池”，理想到现实有多远？
如果能把该技术从实验室的演示品转变为商品，那么汽车只充一次电就能从伦敦驶到爱丁堡（两地相距约650公里），所用电池的成本和重量却只有今日电动汽车所用锂离子电池的五分之一。 read more
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英国科学家发明了一种高效的锂氧电池，可能最终将取代锂离子电池，将大大增加电动汽车行驶范围。 read more
英研发新型锂氧电池 有望突破电动汽车技术瓶颈
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剑桥大学新锂空气电池将推动电动汽车发展
剑桥大学通过先进的技术，用石墨烯构造高度多孔，海绵状的碳电极，再加入一些添加剂使之保持化学稳定，解决了之前的锂空气电池易爆炸的问题。同时，剑桥大学也在努力的让它可以不用过滤空气当中的二氧化碳，氮和水，直接用空气就能够运行。 read more
电动汽车锂电池技术研发状况剖析
车载二次电池相关技术已成为热门。其背景是，世界各国纷纷都在强化二氧化碳排放规定。例如，美国加利福尼亚州的ZEV(零排放车辆)法案、欧洲的二氧化碳法案、中国的环境法规今后都将更为严格。 read more
这6项新电池技术或改变电动汽车产业
常见的电池都应用了锂离子技术，但是这项技术已经快要达到它的“极限”：研究人员表示，锂离子技术最多在目前基础之上提升30%。 read more