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佛山锂电池 对未来锂电池体系的个人分析与展望

2023-03-17 12:56:58

佛山锂电池对于未来的锂电池的体系的发展,我想要从主要的几个电池体系简单的分析一下,主要是液态的锂离子电池,半固态以及固态的锂离子电池,锂硫电池,以及锂气体电池.

佛山锂电池

锂离子电池

其实在之前的文章里面以及大致对目前市面上流行的液态锂离子电池进行了比较大致的总结和优缺点分析。值得指出的是LCO应该会持续在3c产品里面占据不可动摇的地位。LCO良好的综合性能使得它依旧是手机上不可撼动的一部分,而LCO目前的研究重点依旧是如何提高它的电压,目前的阶段是在4.4V的基础上继续提升,目标是在4.5-4.6V。如果能把LCO的电压从4.4V提升到4.5V,那么它的容量将会是大约25%的提升(从140mAh/g到180mAh/g)。苹果公司等手机厂家都致力于这种方向的研究,这也是为什么在手机芯片能力逐步提升的过程中手机依旧能保持一天一充的一个频率,不过总体来说这个方向并不是研究的重点。并且4.5V对于锂离子电池来说是一道门槛。在这个电压下很多常用的电解液体系都面临着稳定性的挑战。因此在提升正极材料的电压的同时还得寻找同样在高压下稳定的电解液材料并且保证电池性能的提升,可以说是非常具有挑战性了。

锂电池厂家

LFP和NCM目前主要还是集中在在电动汽车上的应用,但是很明显LFP在逐渐的占据电动汽车电池的领导地位,然而从电池性能和发展方向来看LFP电池基本是在朝着更加大的电池单体以及更加紧凑的电池组排列来增加电池的性能,NCM电池则是更多对于能量密度的提升,是在跑车等高性能车上的不二选择。只能说在未来可能这两种电池的电动汽车应用场景应该会更加细分,在寒冷、偏远地区NCM比LFP占据更大优势而LFP在城市、短途等应用场景更加占有。这里顺便可以提一下ONE的电动汽车把LFP电池和无负极电池组合(anode free)从而达到短途旅行占多数,偶尔长途的这样一种更加实际的应用场景。无论他们的产品最终能否达到这样的一个水平,这种组合在投资上是一种较为占优的策略。

佛山镍氢电池

LFP电池在未来可能也有一定的民用储能设备的市场前景,不过对于储能市场,价格,或者说均化能源成本(levelized cost of energy, LCOE)是更加值得考虑的因素。因为对于民用储能设备来说成本以及安全性是远大于使用舒适程度和能量密度等因素。对于电池来说简单的LCOE计算如下: 

LFP相对于其他锂离子电池体系有着安全性和寿命两大优势,因此可以说是在储能领域锂电池的唯一选择。但是在储能领域有着更多的其他电池体系或许有着比LFP更加有优势的选择比如热储能电池,液流电池燃料电池等等(可能下次会写这一方面吧)。而NCM电池则会在对能量密度有需求的领域继续占据重要的地位,比如空中飞行器、电动卡车等等,目前主要在研究安全性和如何除去钴在NCM中的使用。

佛山电池厂

对于锂离子电池的负极,目前使用的石墨负极其实对锂电池的能量密度的影响是很大的,并且最终目标都是朝着锂金属负极的方向进行发展,然而目前的困难依旧很多。最大的问题可能还是如何解决锂金属的制备问题。如果要达到理论上的能量密度,那么超薄的锂金属薄片是必须的,而其制备会受到锂金属本身反应性的影响而有着较高的成本。目前更多的商业或者学术研究还是以硅负极为目标,然而金属硅的体积膨胀问题很难解决,即使是使用了氧化亚硅依旧有着较大的问题。目前还是更多的研究如何和碳负极进行复合使用,比如进行包覆或者纳米化等技术从而提高能量密度。比如从5%的硅含量提升到10%就可以提升大约1/4的负极能量密度。

目前还有一些新型的技术比如无负极电池,富锂正极电池等等,不过技术本身都不够成熟有着较大的缺陷,但是或许就像上文提到的一样可以和其他的化学体系进行合并使用。

电池厂家

半固态以及固态锂电池

固态电池这个概念从它在90年代出现开始就一直是一个非常火热的话题。主要集中于其安全性和高能量密度,一般认为固态电池因为没有电解液,因此可以使用金属锂电极,并且没有火灾隐患。然而这样的优点是有争议的,固态电池发展到现在,无论是早期的电解质电导率问题以及现在对其安全性的质疑都在询问我们这样一个问题 - 固态电池真的好吗?

要准确的认识固态电池这样一个概念首先要从其电解质出发。一般来说电池内充满了不导电子反而导离子的液体,并且正负极是由一层隔膜进行隔绝开以防短路的。对于锂电池来说,由于锂金属的还原电位特别低(-3.04V vs. SHE)因此锂电池的电压能很高,一般都超过了3V,这是一个很好的优点,因为电压越高,能量密度越大 =× ,然而由于其高电压,我们就无法使用水这样一个电解液,因为水的分解电压只有1.23V 而只能转向具有更高电压承受范围的有机液体,这也是为什么早期的电池都有水,而到了锂电池就没有了水。而这样的有机液体最大的问题就是易燃,大部分有机物都是具有可燃性的,而用在锂电池中的电解液又极度易燃。因此我们一般认为锂电池的安全性很差。在这样的一种情形下我们如果用有机物作为电解质实际上并没有解决电池的可燃性问题。从本质上来讲有机固态电解质并没有阻燃性,只能说它的燃烧温度特别高,一般可以达到200-400多度,然而电池的短路是可以在短时内达到这样的温度。因此当电池真的短路了之后,热量聚集同样会引发绝大多数有机固态电解质的燃烧而引发热失控。同样对于以陶瓷为电解质的电池,短路了之后热量同样会聚集。陶瓷的优点是不可燃,但是热传导能力很差,很容易造成局部的高温。这个会对电池的封装以及环境的要求很高,谁也不会想要一个1000多度的暖宝宝在你的设备里面。当然,这两种体系的安全性确实是比目前的液体电池体系是要高的,然而如果不能解决电池短路问题,那么并不能说是安全的。

那么可能有人会说你都用陶瓷作为电解质了,那么怎么还能短路啊?事实上这也是人们之前所认为的,事实上随着研究的深入,人们发现固态电池实际上也会产生内部的枝晶从而造成短路,并且由于陶瓷的脆性,以及固态电池的低离子电导率甚至可能比传统电池更加容易造成短路。更不用说固态电解质的界面以及室温电导率问题使得它本身的性能就并不是很出色。而对于使用锂负极,同样的,锂电极的制备本身就不简单,在加上和电解质界面兼容度差,一般都是要使用大大过量的锂金属而远远达不到理论的能量密度。因此从我个人的角度来看目前的固态电池技术,即使是最最前沿的都远远达不到实用的标准,即使在不考虑成本的情况下。

那么我们为什么还能经常听到固态电池会在10年内商业化?这里除了有一种商业上的宣传因素以外还有一种对概念的混淆。很多情况下所谓的固态电池(solid-state battery)并不是真正的的固态电池,反而可能指半固态电池(semi-solid-state battery or quasi-solid-state battery),真正的固态电池一般会说全固态电池(All-solid-state battery)。因此在概念上玩了一个文字游戏,所以会让人产生一种固态电池马上量产的错觉。那这里的半固态电池又是指什么?一般来说是固态电解质和传统有机电解液的结合。固态电解质的几个缺点主要还是集中于电导率低和界面兼容性差,如果我们加入部分的电解液填补这些分析,增强流动性那么理所当然的能提高其性能,而这也是目前大部分公司的目标,在提升一定的安全性的同时保证其性能。而这里安全性的提升还是得先打一个问号?

并且半固态锂电池这样的一个概念并不新鲜,早在20世纪初SONY公司就已经商业化了凝胶锂电池,用我们今天的话来说就是固态有机电解质基半固态电池,现在的研究只能说是换了一个名字而已。不过半固态电池能确确实实提升电池的性能,这个也正是公司们大力发展这样的一个技术的原因。然而即使这样,这其中依旧存在着一些有趣的地方。就比如半固态电池里面液体电解液的含量,添加了50%电解液的半固态电池和添加了5%电解液的半固态电池都能叫半固态电池,但是其中性能上的差距可想而知。不过这也给了电池厂家一定的灵活度,如果对于某种电池注重安全性那就少加点电解液,注重性能就多加点电解液。因此在对这种技术的评估的时候要格外小心。

锂硫电池

锂硫电池是一种有趣的体系,很多人认为这个将会是我们从液体电解质到固体电解质之间的过度。特别是日系的一些企业,直到我写这篇文章为止他们都依旧热衷于对锂硫电池的研究。然而无论是固态还是液态的锂硫电池都有着一系列严重的问题。如果使用液态的电解液,那么锂的多硫化物能溶解于大部分目前常用溶剂中造成穿梭而造成活性物质的损失,性能的下降。而使用一些能阻止穿梭效应的电解液比如醚类电解液则有着安全性能,稳定性能等的一系列问题。对于固态的锂硫电池来说硫基电解质的电导率其实是要好于氧化物型固态电解质的,但是其空气稳定性,对锂金属稳定性都存在着很大的问题,商业化的生产是对生产环境的一种挑战。更不用说硫本身的电子电导率非常差,在电池中很难进行大电流的循环,以及其在循环过程中的体积变化都是对其商业化的一种挑战。不过同样我们也可以看出锂硫电池的问题好像并不是完全无法解决,就比如对隔膜的改性而阻止锂硫化合物的穿梭,以及用硫碳复合电极来改善其性能和稳定性,再加上其极高的理论能量密非常吸引人。我想这也是为什么这些日企对锂硫电池如此钟情的原因吧,把锂硫电池作为一个中期的发展目标我个人觉得确实可能是一个不错的选择,但是其距离量产化也确实仍旧有着不小的距离,至少我觉得20年的研究是需要的。

佛山锂电池

锂气体电池

锂气体电池,或者说锂空气电池一直是一个很有争议的领域,从最开始的反应机理的误解,到目前的锂-氧气电池都存在着种种缺陷。理论上来说锂空气电池有着在所有体系中最高的能量密度,因为空气电极几乎没有重量并且使用了锂金属,但是这些计算都没有包括气体的储存系统对电池重量的影响。并且目前的研究更多的是专注一专一一种气体,二氧化碳或者氧气,而直接使用空气则会造成一系列问题比如催化剂的中毒,极其糟糕能量转换效率(round-trip efficiency)等等的问题。虽然最近锂空气电池在学术界有着一定的进展,但是如果要达到实用的阶段还是有很多的性能指标没有达到,更不用说电池本身的成本问题了。因此个人对这样一种电池体系是抱有一种悲观的态度。然而这究竟是否是学术圈的自娱自乐还是需要时间去进行验证。然而在可以预见的未来30年内这样一种电池体系还远远达不到商用的地步。


其实我觉得电池作为目前较为火热的研究领域还有太多可以进行讨论,比如钠离子电池,水系电池,燃料电池甚至一些特殊的电池体系都有着其独特的应用,再双碳这样的一个背景下面技术的进步显得尤为的重要,政策的支持更是这些技术能开花结果的一大助力,但是对于新兴技术我们要进行客观和深入的研究,而不能一味听信于一家之言。不过我个人认为未来的储能领域由于应用场景的不同,不同的技术大概率是会同时进行使用的,更多要考虑资源的分布以及能源的便利性,百花齐放估计是之后一段时间的主流。



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