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高鹄新能源系列研究(一):从底层材料创新看新一代电池演进

常驻编辑 科普中国 2022-09-26 锰铁   电池   负极   正极   材料   电解质   固态   新一代   磷酸   新能源   底层   密度   离子   系列
首先,安全性更好。传统锂离子电池的电解质通常为有机电解液,当出现过充、短路等异常现象时,电解液容易发热,带来自燃甚至爆炸的危险。而固态电解质具有绝缘性好、不易燃、不挥发的特点,即使发生了形变,也不会导致电解质外漏。T5R拜客生活常识网

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其次,能量密度更高。一般认为,液态锂电的能量密度上限在300-350Wh/kg,难以满足350Wh/kg以上的高能量密度发展目标。与传统液态锂电池相比,得益于更高的电化学窗口,固态电池可以匹配高能正极材料和金属锂负极,其理论能量密度更高。T5R拜客生活常识网

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除了安全性好和能量密度高,固态电池还具备多种优势,例如其不需要电解液和隔膜、可简化封装与冷却系统等,使整体电池包的重量和体积得以缩减,提升了续航能力。因此,业界主流观点认为,液态电解质向固态演进是大势所趋。T5R拜客生活常识网

然而,液态至固态的演进并非一蹴而就。固态电池的技术发展将采用逐步颠覆策略,液态电解质含量逐步下降,经历凝胶态、半固态、准固态等阶段,最终达到全固态。电池负极将逐步替换成金属锂片,电池能量密度有望逐步提升至 500Wh/kg,电池工作温度范围扩大三倍以上。T5R拜客生活常识网

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目前,固态电解质主要有三大技术路线:T5R拜客生活常识网

• 聚合物固态电解质最早实现商业化,但存在高成本和低电导率等明显缺点。T5R拜客生活常识网

• 氧化物固态电解质各方面性能较为均衡,目前进展较快。T5R拜客生活常识网

• 硫化物固态电解质电导率较高,但研究难度大,如何保持高稳定性是一大挑战。T5R拜客生活常识网

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虽然固态电池已初露曙光,但其大规模商业化应用仍面临一定的技术瓶颈,例如:T5R拜客生活常识网

• 界面问题:固相界面间无润湿性,难以充分接触,形成了较大的界面阻抗。而随着电化学反应的进行,接触界面难以保持长期的稳定性,可能会引发持续的副反应,最终影响电池的各项性能。T5R拜客生活常识网

• 电导率低:与液态电解质相比,固态电解质电导率要低1-2个数量级。电导率低会使得电池内阻较大,锂离子迁移慢,进而影响倍率性能、循环性能和快充速率。T5R拜客生活常识网

二、磷酸锰铁锂T5R拜客生活常识网

磷酸锰铁锂(LMFP)作为磷酸铁锂的升级版,是在磷酸铁锂的基础上添加锰元素的新型正极材料。当前磷酸铁锂电池的能量密度已经接近“天花板”,因此业界正积极寻找能够替代磷酸铁锂的新一代材料,磷酸锰铁锂是最有希望的路线之一。T5R拜客生活常识网

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磷酸锰铁锂可以提高材料体系的电压(4.2V vs 磷酸铁锂3.4V),弥补磷酸铁锂电压低导致能量密度低的不足,能量密度提升20%以上。同时,它也继承了磷酸铁锂的高安全性、高循环次数等优势,还可以通过表面包覆碳材料导电剂来提升导电性能。

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