界面新聞實(shí)習(xí)記者 | 羅容
日本東京工業(yè)大學(xué)將全固態(tài)電池容量提升至全球最高水平。
近日,日本東京工業(yè)大學(xué)特聘教授菅野了次等人組成的研究團(tuán)隊(duì),成功提高了全固態(tài)電池的快速充電性能和容量。該研究通過(guò)新開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)材料、重新研究制造工藝等方式得以實(shí)現(xiàn),相關(guān)文章發(fā)表在美國(guó)《科學(xué)》雜志上。
全固態(tài)電池是一種新型的電池類(lèi)型。區(qū)別于其它電池,沒(méi)有液態(tài)電解液,而是采用聚合物、氧化物或硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)。
全球固態(tài)電池還處于研究和開(kāi)發(fā)階段,主要面臨的技術(shù)難點(diǎn)包括不使用電解液使得其離子導(dǎo)電率大幅降低,影響充電性能;固體電解質(zhì)之間接觸性差,內(nèi)阻較大等。
日本東京工業(yè)大的上述研究,利用高熵材料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種高離子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì),通過(guò)增加已知鋰快離子導(dǎo)體的成分復(fù)雜性,使得鋰離子電導(dǎo)率約為傳統(tǒng)材料的2.3-3.8倍,從而能縮短電池充電時(shí)間。這意味著,影響電池充電性能的指標(biāo)較當(dāng)前傳統(tǒng)電池相比最多可提高3.8倍,為目前全球最高水平。
此外,研究團(tuán)隊(duì)改良了制造工藝,負(fù)極采用鋰金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨,使得正極容量按單位電極面積計(jì)算較當(dāng)前提高1.8倍。試制的全固態(tài)電池每平方厘米電極的電池容量超過(guò)20毫安,這也是全球目前公布的最高水平。
電池容量是衡量電池性能的重要性能指標(biāo)之一,它表示在一定條件下電池放出的電量,通常以Ah為單位。電池的容量越大,其能量密度也越高。
能量密度是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小,也是電池性能的重要指標(biāo)。目前采用三元正極材料的鋰電池,能量密度最高為350 Wh/kg。
當(dāng)前動(dòng)力電池市場(chǎng)上,液態(tài)鋰電池仍占據(jù)主導(dǎo)地位。中國(guó)科學(xué)院院士孫世剛曾表示,現(xiàn)有鋰電池的能量密度已接近理論極限。近十年來(lái),液態(tài)鋰電池的能量密度已提升2-3倍。相較于液態(tài)鋰電池,固態(tài)電池具有高能量密度、高安全性和長(zhǎng)使用壽命等優(yōu)勢(shì),被業(yè)界普遍認(rèn)為是下一代動(dòng)力電池技術(shù)。
2022年,美國(guó)航空航天局(NASA)曾宣布,其所研發(fā)成功的固態(tài)電池的能量密度達(dá)到了500 Wh/kg;今年3月,小米宣布在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)在實(shí)驗(yàn)室中取得了三個(gè)進(jìn)展,將固態(tài)電池的能量密度突破了1000 Wh/L。
近年來(lái),學(xué)術(shù)界涌現(xiàn)了一些固態(tài)電池的新成果,其中不乏中國(guó)科學(xué)家。
2021年,來(lái)自哈佛大學(xué)的華人教授李鑫與其學(xué)生葉露涵,研發(fā)的新型多層結(jié)構(gòu)鋰金屬固態(tài)電池,可重復(fù)使用1萬(wàn)次,充電速度最快3分鐘。他們的研究論文于2021年5月發(fā)表在《自然》雜志上的相關(guān)論文介紹了這種新型固態(tài)電池的原理。
2022年,日本橫濱國(guó)立大學(xué)矢部?jī)?nèi)尚明(Naoaki Yabuuchi)教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì),研究出一種穩(wěn)定性極強(qiáng)的新型正極材料,并由此開(kāi)發(fā)除了一種全固態(tài)電池。研究成果發(fā)表在《自然》刊物的子刊《自然材料》上。
據(jù)《光明日?qǐng)?bào)》報(bào)道,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授研設(shè)計(jì)并合成了一種新型固態(tài)電解質(zhì)——氧氯化鋯鋰,其綜合性能與目前最先進(jìn)的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相當(dāng),但成本不到后者的4%,適合進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。該研究于今年6月27日發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。
在固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化道路上,日企較為激進(jìn)。今年6月初,豐田宣布固態(tài)電池商業(yè)化的最新規(guī)劃,最早到2027年,豐田就將向市場(chǎng)投放搭載固態(tài)電池的電動(dòng)汽車(chē),充電不到10分鐘即可行駛約1200公里。
日產(chǎn)計(jì)劃在2028年推出首款搭載固態(tài)電池的量產(chǎn)車(chē)型;本田規(guī)劃在2024年啟用固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線,所生產(chǎn)的電池將用于2020年代后半期推出的車(chē)型,該生產(chǎn)線的投資將達(dá)到430億日元(約合21億元人民幣)。
目前,中國(guó)也有多家電池企業(yè)、整車(chē)企業(yè)以及科研院所等,紛紛布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈上下游。但基于全固態(tài)電池的技術(shù)難度和高成本,中國(guó)企業(yè)大部分采取從半固態(tài)再到固態(tài)的漸進(jìn)式研發(fā)路線,目前公布進(jìn)展多集中在半固態(tài)電池上。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),A股市場(chǎng)上,布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的上市公司超過(guò)60家,以寧德時(shí)代(300750.SZ)、贛鋒鋰業(yè)(01772.HK)、衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源等為代表,均已實(shí)現(xiàn)半固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化。
半固態(tài)電池是混合固液鋰電池,電芯中含有一部分的液態(tài)電解質(zhì),含量占比在5%-10%左右。
衛(wèi)藍(lán)新能源今年7月初向蔚來(lái)汽車(chē)交付了首批半固態(tài)電池電芯,其能量密度為360 Wh/kg。
清陶能源在今年初披露,與上汽集團(tuán)合作研發(fā)的半固態(tài)電池年內(nèi)將應(yīng)用于上汽集團(tuán)自主品牌新款車(chē)型,續(xù)航里程在1000公里以上,并計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
據(jù)高工鋰電數(shù)據(jù),2022年中國(guó)固態(tài)電池出貨量約為0.4 GWh。
中郵證券表示,固態(tài)電池當(dāng)前處于起步階段,產(chǎn)業(yè)化仍需時(shí)間。預(yù)計(jì)2030年中國(guó)固態(tài)電池出貨量將達(dá)251.1 GWh,市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)200億元。