全固態(tài)鋰電池技術(shù)發(fā)展分析

鋰電池現(xiàn)狀和趨勢(shì)分析國(guó)內(nèi)外典型固態(tài)電池研發(fā)示例中科院先導(dǎo)項(xiàng)目動(dòng)力電池研發(fā)進(jìn)展作為動(dòng)力電池的固態(tài)鋰電池應(yīng)用展望1990年-2025年鋰電池能量密度發(fā)展路線(xiàn)圖

大容量動(dòng)力電池按照現(xiàn)有技術(shù)水平發(fā)展速度，小型圓柱和大容量動(dòng)力電池勉強(qiáng)能在2020年做到300Wh/kg，需要引入全新材料體系修改自吳嬌楊，劉品，胡勇勝，李泓，《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》2016，5，443-453H.

Li正極負(fù)極電解質(zhì)時(shí)間應(yīng)用第一代4.2V

LiCoO2CokePC/DMC

LiPF61991-消費(fèi)電子第二代4.3

V

LiCoO2NGAGLi4Ti5O12EC-DMC,LiPF61994-消費(fèi)電子LiMn2O4,電動(dòng)汽車(chē)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2儲(chǔ)能LiFePO4電動(dòng)工具第三代4.4-4.6

VLiCoO2Soft

carbonHard

carbonSnCoCSiOxNano-Si/CEC-DMC-EMC,

LiPF6+

VC,FEC,BP,

ES,PS,Silane,

LiBOB,LiTFSI,LiFSI,Ionic

liquid…2014-消費(fèi)電子電動(dòng)工具電動(dòng)汽車(chē)規(guī)模儲(chǔ)能家庭儲(chǔ)能航空航天工業(yè)節(jié)能?chē)?guó)家安全LiNix

0.5CoyMnzO2LiNi0.8Co0.15Al0.05O2LiFe1-xMnxPO4xLi2MnO3-Li(NiCoMn)O2LiNi0.5Mn1.5O4陶瓷涂布隔膜，預(yù)鋰化，涂碳集流體，高溫化成，熱管理…Fei

Luo,

Hong

Li

et

al,

JES,

2015，162,

A2509300Wh/kg以上鋰離子動(dòng)力電芯技術(shù)路線(xiàn)小結(jié)循環(huán)性體積能量密度膨脹、氣脹安全性倍率特性低、高溫自放電材料摻雜包覆極片改性電解液改性導(dǎo)電添加劑化成工藝

N/P設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)材料極片改性粘接劑電解液改性導(dǎo)電添加劑化成工藝

預(yù)鋰化工藝圓柱軟包鋁殼單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式基于納米硅碳/富鋰材料的高能量密度鋰離子電池量

Wh

能量密度

Wh/Kg檢測(cè)項(xiàng)目測(cè)試條件放電容量Ah質(zhì)量g能常溫容量0.1C

4.6V-2.27V22.522673.8327常溫容量0.1C

4.6V-2.27V24.55207.677.8375核桃結(jié)構(gòu)納米硅碳材料納米硅碳：450-2000

mAh/g富鋰錳基：280-320

mAh/g目前循環(huán)性、體積膨脹、高溫、倍率還差距較大中科院先導(dǎo)項(xiàng)目：寧波材料所夏永高團(tuán)隊(duì)/物理研究所李泓團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研制李泓，電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)報(bào)告，2016.1.24;《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》6，2016，172-176—+表面處理梯度材料富鋰錳基正極材料RISING-IIMade

in

China

2025

JCESR

CAS-SPRPRISING-I

EV

Everywhere中日美政府的目標(biāo)≥300

Wh/kg2016

重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)新能源汽車(chē)納米科技材料基因組USABCDOE

Battery

500CATL國(guó)軒力神采用金屬鋰負(fù)極，容易實(shí)現(xiàn)電芯高能量密度金屬鋰負(fù)極的主要技術(shù)挑戰(zhàn)循環(huán)性、安全性、充放電倍率、自放電等無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用需求多種金屬鋰電池：金屬鋰電池，鋰硫，鋰氧氣，鋰水，鋰二氧化碳，鋰空氣電池金屬鋰電極在有機(jī)溶劑電解液中共性問(wèn)題全固態(tài)金屬鋰電池？液態(tài)鋰離子 @固態(tài)鋰電池液態(tài)固態(tài)關(guān)鍵差別：電解質(zhì)由液體變?yōu)楣腆w-->浸潤(rùn)性、界面穩(wěn)定性、金屬鋰、安全性Metallic

LiLi全固態(tài)金屬鋰電池可能具備的優(yōu)點(diǎn)固態(tài)電池可能具備的性質(zhì)全固態(tài)鋰電池可能具備的優(yōu)點(diǎn)有望抑制鋰枝晶可以使用金屬鋰負(fù)極-->高能量密度，高安全性不易燃燒、不易爆炸安全性?xún)?yōu)于液態(tài)鋰離子電池?zé)o持續(xù)界面副反應(yīng)循環(huán)性好，更安全，內(nèi)阻穩(wěn)定，功率衰減慢無(wú)電解液泄漏、干涸問(wèn)題服役壽命長(zhǎng)，不易跳水高溫性能更好車(chē)用、工業(yè)應(yīng)用、安全性好；可以創(chuàng)新Pack設(shè)計(jì)無(wú)氣脹電芯不易變形，壽命長(zhǎng)原材料純度要求降低材料成本降低，易于生產(chǎn)正極選擇面寬可開(kāi)發(fā)多種不同用途的電池非活性物質(zhì)體積質(zhì)量減少體積、質(zhì)量能量密度高電芯內(nèi)部可串聯(lián)高電壓電芯及模塊、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、易于靈活配組NEDO制定的電池研發(fā)路線(xiàn)圖LiCoO2,

LiMn2O4NCM,

LiFePO4C,

Li4Ti5O12LiPF6,

EC-DMC2015-20202030年NCA,811LNM,LCO/Nano-Si124M

–

Cambridge,

MA聚合物和納米陶瓷顆粒復(fù)合2Ionic

Materials，Woburn,

MA新型聚合物電解質(zhì)3Iowa

State

University

–

Ames,IA新型玻璃態(tài)固態(tài)電解質(zhì)4ORNL–

Oak

Ridge,

TN對(duì)鋰穩(wěn)定的玻璃態(tài)電解質(zhì)5Pennsylvania

State

University–PA，熱冷壓制備固態(tài)電解質(zhì)6PolyPlus

Battery

Company

–CA柔性固體電解質(zhì)保護(hù)Li金屬電極7Sila

Nanotechnologies

CA，熔體滲透固體電解質(zhì)技術(shù)8University

of

Colorado

Boulder

–CO閃燒技術(shù)用于制造固體電解質(zhì)12345678美國(guó)DOE

APER-E

項(xiàng)目

:Ionics（2016）無(wú)鋰正極對(duì)應(yīng)負(fù)極：厚金屬鋰箔、鋰膜、鋰合金、復(fù)合材料、含鋰嵌入化合物；鋰源正極對(duì)應(yīng)負(fù)極：薄金屬鋰箔、薄鋰膜、鋰合金、復(fù)合材料、多孔集流體；電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)負(fù)極固液復(fù)合電解質(zhì)負(fù)極聚合物固態(tài)電解質(zhì)負(fù)極無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)負(fù)極固固復(fù)合電解質(zhì)界面電阻低較低高較低鋰枝晶生長(zhǎng)，可以抑制生長(zhǎng)，可以抑制不易生長(zhǎng)不易生長(zhǎng)界面副反應(yīng)有，可以自中斷有，可以自中斷有，可以自中斷有，可以自中斷正極設(shè)計(jì)容易較困難困難較困難電位范圍5V困難5V困難5V有可能5V有可能低溫性能可以困難困難困難能量密度較高較高較低，理論高較低，理論高加工性容易較容易較困難較困難安全性較好較好氧化物體系很好較好7.正極集流體負(fù)極集流體鋰負(fù)極負(fù)極電解質(zhì)界面固體電解質(zhì)正極電解質(zhì)界面固態(tài)鋰電池問(wèn)題匯總7.正極集流體負(fù)極集流體鋰負(fù)極負(fù)極電解質(zhì)界面固體電解質(zhì)正極電解質(zhì)界面固態(tài)鋰電池解決方案匯總對(duì)電解質(zhì)材料應(yīng)用的評(píng)價(jià)Manthiram,

A.

et

al.

(2016)Lithium

battery

chemistries

enabled

by

solid-state

electrolytesNat.

Rev.

Mater.

doi:10.1038/natrevmats.2016.103共性與評(píng)價(jià)先導(dǎo)技術(shù)重點(diǎn)突破先導(dǎo)技術(shù)戰(zhàn)略

先導(dǎo)技術(shù)提升變革性技術(shù)的培育能力，發(fā)展關(guān)鍵共性制造和評(píng)價(jià)技術(shù)，保障新興產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展將具有變革性前景的納米技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，形成我國(guó)的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)大力 發(fā)技術(shù)成熟度高的納米技術(shù)，推進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)A類(lèi)項(xiàng)目-變革性納米產(chǎn)業(yè)技術(shù)聚焦陰和俊，2013.11.15長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力電池項(xiàng)目加快關(guān)鍵材料中試、產(chǎn)業(yè)化；研發(fā)下一代電池技術(shù)；啟動(dòng)動(dòng)力電池綜合分析平臺(tái)建設(shè)；強(qiáng)化產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，與優(yōu)勢(shì)企業(yè)合作納米硅碳碳、富鋰高電壓、高溫隔膜、離子液體、石墨烯等關(guān)鍵材料中試；動(dòng)力電池電芯能量密度>180

Wh/kg；模塊能量密度>150

Wh/kg負(fù)極、正極、電解質(zhì)、隔膜性能優(yōu)越，新技術(shù)鋰電池大規(guī)模量產(chǎn)，產(chǎn)值>50億電芯能量密度>300

Wh/kg，高安全性,壽命>2000次2020年2015年服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略需求發(fā)揮創(chuàng)新引領(lǐng)作用先導(dǎo)“長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池”項(xiàng)目部份進(jìn)展液態(tài)、凝膠、混合固液電解質(zhì)、全固態(tài)液態(tài)鋰離子電取長(zhǎng)池補(bǔ)短，全固態(tài)鋰電池逐步顛覆25

wt%

15wt%250

Wh/kg300

Wh/kg350

Wh/kg80oC150

oC400Wh/kg

500

Wh/kg操作溫度0

wt%5

wt%30

wt%50

wt%80-100%Li

負(fù)極全固態(tài),1980混合固態(tài)，202055oC全固態(tài)2025液態(tài)鋰離子1991中科院先導(dǎo)團(tuán)隊(duì)研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容10wt% 5

wt%

1wt% 0

wt%電芯中液體

Ah-mAhmAh-5

Ah5Ah-100

Ah電池結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 電池容量 應(yīng)用場(chǎng)景 規(guī)模制備方法鎳礦鋰礦鈷礦錳礦原材料石墨礦固體電解質(zhì)正極材料負(fù)極材料電池材料集流體導(dǎo)電添加劑粘接劑封裝材料電池組電源管理系統(tǒng)集成工業(yè)節(jié)能電網(wǎng)儲(chǔ)能電動(dòng)汽車(chē)電池應(yīng)用廢舊回收回收安全預(yù)警失效分析測(cè)試診斷性能評(píng)價(jià)固態(tài)電池漿料極片電芯化成梯級(jí)利用硅粉礦儲(chǔ)備電源消費(fèi)電子鋰離子電池+金屬鋰電池+固態(tài)電解質(zhì)