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液態(tài)電池,采用電解液作為電解質(zhì)。電池主要由正極材料、負極材料、電解液和隔膜組成。

固態(tài)電池,采用固體材料作為電解質(zhì)。電池主要由正極材料、負極材料、固體電解質(zhì)組成。
固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀
圖源:電子工程專輯網(wǎng)
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固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀
在目前常用的汽車電池中,目前通常使用液態(tài)鋰電池。但液態(tài)鋰電池在使用的過程中可能因短路、高溫而發(fā)生起火。鋰離子在反復沉積和析出過程中,金屬鋰箔表面的鋰離子未能充分擴散,生長出鋰枝晶,枝晶在電解液內(nèi)生長,有時候會穿透隔膜,引發(fā)漏液,從而引起電路短路,導致電池高溫自燃。
固態(tài)鋰電池電芯內(nèi)不含電解液,也不需要電解質(zhì)鹽與隔膜,徹底杜絕了漏液引發(fā)的自燃問題。
固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀
圖源:維科網(wǎng)
固態(tài)鋰電池,相對液態(tài)鋰電池安全性更高,生產(chǎn)成本更低,封裝系統(tǒng)更簡單,能量密度更高。固態(tài)鋰電池有望突破 500Wh/kg 瓶頸,將電動汽車續(xù)航里程提高到 1000 公里以上。另外,固態(tài)鋰電池工作溫度范圍寬、支持超級快充。
目前,全固態(tài)電池技術上存在很多問題,如提高固體電解質(zhì)的離子電導率,優(yōu)化固-固界面,提高材料穩(wěn)定性等。所以盡管全固態(tài)電池有很多優(yōu)點,但距離其真正量產(chǎn)應用還有很長的路要走。

全固態(tài)電池成膜工藝? ?

全固態(tài)電池主要有四大路線,分別為聚合物全固態(tài),氧化物全固態(tài),硫化物全固態(tài)和復合電解質(zhì)全固態(tài)。固體電解質(zhì)膜為全固態(tài)電池獨有結構,取代了液態(tài)電池的隔膜和電解液,主體為固體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)的成膜工藝是全固態(tài)電池制造的核心。
不同的工藝會影響固體電解質(zhì)膜的厚度和離子電導率,固體電解質(zhì)膜過厚會降低全固態(tài)電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度,同時也會提高電池的內(nèi)阻;固體電解質(zhì)膜過薄機械性能會變差,有可能引起短路。

濕法工藝

濕法工藝優(yōu)點:操作簡單,工藝成熟,易于規(guī)?;a(chǎn)。
濕法工藝缺點:成本高,且采用的溶劑可能具有毒性,殘留的溶劑會降低固體電解質(zhì)膜的離子電導率。
按照載體不同,濕法工藝可分為模具支撐成膜、正極支撐成膜以及骨架支撐成膜
模具支撐成膜常被用于制備聚合物電解質(zhì)膜復合電解質(zhì)膜,將固體電解質(zhì)溶液傾倒在模具上,隨后蒸發(fā)溶劑,從而獲得固體電解質(zhì)膜,通過調(diào)節(jié)溶液的體積和濃度來控制膜的厚度。
正極支撐成膜常用于無機電解質(zhì)膜及復合電解質(zhì)膜的制備,將固體電解質(zhì)溶液直接澆在正極表面,蒸發(fā)掉溶劑后,在正極表面形成固體電解質(zhì)膜。
與模具支撐相比,正極支撐可以獲得更薄的固體電解質(zhì)膜和更好的界面接觸。
固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀
圖源:翟喜民等. 全固態(tài)電池生產(chǎn)工藝淺析
骨架支撐成膜常用于復合電解質(zhì)膜的制備,將固體電解質(zhì)溶液注入骨架中,蒸發(fā)掉溶劑后,形成具有骨架支撐的固體電解質(zhì)膜。

干法工藝

干法工藝是將固體電解質(zhì)與聚合物粘結劑分散成高粘度混合物,然后對其施加足夠的壓力使其成膜。
干法工藝優(yōu)點:不采用溶劑,成膜無溶劑殘留,離子電導率高,直接將固體電解質(zhì)和粘結劑混合成膜,不需要烘干;成本低。
干法工藝缺點:形成的固體電解質(zhì)膜通常厚度偏大,會降低全固態(tài)電池的能量密度。

氣相沉積工藝

化學氣相沉積,物理氣相沉積,電化學氣相沉積和真空濺射沉積等氣相法制備固體電解質(zhì)膜。這些方法是在電極上形成超薄電解質(zhì)膜。氣相方法的成本較高,只適用于薄膜型全固態(tài)電池。

全固態(tài)電池裝配工藝? ?

全固態(tài)電池通常采用軟包的方式集成。疊片可以通過正極,固體電解質(zhì)膜和負極的簡單堆疊實現(xiàn)電池各組件的集成是最適用于全固態(tài)電池制備的工藝。按照裁片與疊片的先后順序?qū)B片工藝分為分段疊片和一體化疊片。
分段疊片(圖a)沿用液態(tài)電池疊片工藝,將正極、固體電解質(zhì)層和負極裁切成指定尺寸后按順序依次疊片后進行包裝;
一體化疊片(圖b)是在裁切前將正極,固體電解質(zhì)膜和負極壓延成3層結構,按尺寸需求將該3層結構裁切成多個“正極-固體電解質(zhì)膜-負極”單元,并將其堆疊在一起后進行包裝。
固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀
全固態(tài)電池,堆疊在一起的各組件之間勢必會存在各種各樣的界面問題
對于聚合物全固態(tài)電池,可以通過加熱解決聚合物電解質(zhì)膜同正負極間的界面電阻;
對于氧化物硫化物電解質(zhì)膜,則需要進行壓制處理改善固體電解質(zhì)與電極之間的機械接觸。

固態(tài)電池廠家研究現(xiàn)狀? ?

固態(tài)電池廠家

中國有寧德時代、蜂巢能源,國軒高科,江蘇清陶、臺灣輝能ProLogium、比亞迪,北京衛(wèi)藍、贛鋒鋰業(yè)、無錫海特、星盈科技,金龍羽,萬向一二三等。
美國有大眾投資的 Quantum Scape、 Cymbet、 Solid Power、Sakti3、Polyplus、Factorial Energy、Sparkz、Ionic Materials、24M等;
新加坡:Solid Energy System(SES)等,
法國有Bollor é等;
韓國有現(xiàn)代、LG新能源、三星SDI,韓國SK Innovation, 浦項制鐵等;
日本有豐田、本田、松下等;

廠家

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研發(fā)現(xiàn)狀

寧德時代

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2016年,寧德時代正式宣布在硫化物固態(tài)電池上的研發(fā)路徑,預計2030年后實現(xiàn)商品化。2021年1月,寧德時代公開了兩份關于固態(tài)電池的專利。

比亞迪

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)固態(tài)電池專利數(shù)量方面,比亞迪以76項專利居首位,據(jù)傳固態(tài)電池隨時可量產(chǎn)裝車。

輝能科技

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

輝能規(guī)劃2021年完成2GWh的示范線,同時推進固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設,固態(tài)電池的能量密度達383Wh/kg,預計在2023年試產(chǎn),力爭在2026年達到50GW產(chǎn)能。

國軒高科

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

國軒高科將在2022年開始生產(chǎn)高安全固態(tài)電池,2025年后生產(chǎn)出能量密度超過800Wh/L、超過400Wh/kg、循環(huán)800次的全固態(tài)電池。

蜂巢能源

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

蜂巢能源聯(lián)手中科院建設固態(tài)電池技術研究中心,計劃2025年在量產(chǎn)車上應用能量密度達350-500Wh/kg的固態(tài)電池。

星盈科技

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2020年7月底,清陶能源總投資55億元的宜春固態(tài)動力鋰電池項目一期投產(chǎn),規(guī)劃建設年產(chǎn)10GW固態(tài)動力電池生產(chǎn)基地。

衛(wèi)藍新能源

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

固態(tài)電池一期項目總投資1.8億元,計劃建成年產(chǎn)1億瓦時固態(tài)電池的生產(chǎn)規(guī)模。2021年下半年投入生產(chǎn)。

贛鋒鋰業(yè)

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

贛鋒鋰業(yè)第一代2億瓦時固態(tài)電池中試線已順利投產(chǎn),2021年宣布擬投資22億元建設高比能固態(tài)電池超薄鋰負極材料項目。

江蘇清陶

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2018年,清陶能源建成并投產(chǎn)國內(nèi)首條固態(tài)鋰電池量產(chǎn)線,2020年建成全球首條固態(tài)動力鋰電池量產(chǎn)線,實現(xiàn)了由0.1GWh到1GWh的產(chǎn)能升級。

金龍羽

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

金龍羽公司與錦添翼于 2021 年 8 月 6 日簽訂了共同開發(fā)固態(tài)電池協(xié)議,擬在五年內(nèi)投入不超過 3 億元,與錦添翼共同進行固態(tài)電池研究開發(fā)。

萬向一二三

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2019年6月24日,萬向一二三和材料公司Ionic Materials對外宣布開發(fā)了一款具有高能量密度、高安全且不使用易燃液體電解質(zhì)的固態(tài)電池。

Quantum Scape

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

Quantum Scape表示將于2024年建立1GWh試生產(chǎn)線,并通過在大眾汽車上搭測試,以此來實現(xiàn)其固態(tài)電池的商業(yè)化量產(chǎn)。

Solid Power

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2020年10月,Solid Power宣布生產(chǎn)2Ah的全固態(tài)電池(ASSB),能量密度達到320Wh/kg。2020年12月工廠生產(chǎn)20Ah多層全固態(tài)鋰金屬電池。

三星

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2020年3月,三星在Nature Energy上發(fā)表了硫化物全固態(tài)電池文章,這也是目前公開數(shù)據(jù)中最好的硫化物全固態(tài)電池。

LG新能源

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

LG新能源計劃2025年年底實現(xiàn)鋰硫電池商業(yè)化,并在2025年至2027年間實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化。

韓國SKI

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2018年11月,韓國三大電池企業(yè)LG化學、三星SDI和SKI組成聯(lián)盟,共同開發(fā)包括固態(tài)電池的下一代電池核心技術。

松下

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2019年,松下公司與豐田合作研發(fā)固態(tài)電池,2019年8月,公司聯(lián)合比利時微電子研究中心開發(fā)出體積能量密度425Wh/L的固態(tài)電池。

24M

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2019年2月,美國半固態(tài)電池公司24M技術宣布已開發(fā)半固態(tài)鋰離子電池,能量密度超過250Wh/kg。24M技術與泰國電力合作將在泰國建設半固態(tài)鋰電池工廠。

固態(tài)電池車企研究現(xiàn)狀? ?

固態(tài)電池已成為國際上公認的下一代電動車動力電池的技術方向。過去幾年間,全球汽車業(yè)巨頭都在進行這一領域的投資和研發(fā),然而全固體電池技術研發(fā)難度太大,目前很難短時間內(nèi)量產(chǎn)。

車企

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研發(fā)現(xiàn)狀

Fisker

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2017年,美國電動汽車公司Fisker開始涉足固態(tài)電池領域,曾數(shù)次表示即將攻克此難題,但2021年,F(xiàn)isker宣布已徹底放棄固態(tài)電池計劃。

蔚來

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

蔚來聲稱 ET7 將會在 2022 年的第四季度上市,搭載150度半固態(tài)電池包、續(xù)航超過1000公里。但只是半固態(tài)電池,不是真正的全固態(tài)電池。

福特

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

福特集團在2017年投資Solid Power,2022年開始測試產(chǎn)品,2025至2030年間進入道路實測。

大眾

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

大眾集團在2018年向固態(tài)電池QuantumScape注資1億美元,成為最大股東。2020年追加兩億美元。2021年,大眾集團宣布會在2025年使用固態(tài)電池。

通用

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2018年,通用汽車向Solid Energy ?Systems投資。2021年4月,又向Solid Energy Systems 投資1.39億美元。2021年10月,在美國設立固態(tài)電池研發(fā)中心。

豐田

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

日本豐田,在2020年就已制造出固態(tài)電池測試原型車,但真正量產(chǎn)要到2025年。

寶馬

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2021年4 月,寶馬發(fā)布固態(tài)電池規(guī)劃,計劃在 2025 年前推出固態(tài)電池原型車,2030 年前量產(chǎn)。

奔馳

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2021年12月,德國奔馳對Factorial Energy投資,2022年2月,奔馳與中國ProLogium達成合作投資,計劃未來五年將搭載在乘用車當中。

Stellantis

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2021年12月,世界第四大汽車公司Stellantis宣布,與Factorial Energy簽署聯(lián)合開發(fā)協(xié)議,在2026年引入的固態(tài)電池技術。

日產(chǎn)

固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

2022年2月,日產(chǎn)、雷諾和三菱宣布在未來五年內(nèi)投資230億歐元(合259億美元),目標是在2028年年中實現(xiàn)全固態(tài)電池(ASSBs)的大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)。

縱觀全局, 如果動力電池企業(yè)及車廠研發(fā)順利,預計從2025年開始,就陸陸續(xù)續(xù)有全固態(tài)電池相繼面世,一個屬于全固態(tài)電池的時代即將來臨?。?!
資料來源:CNKI, 維科網(wǎng),界面新聞,中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會等

原文始發(fā)于微信公眾號(鋰電產(chǎn)業(yè)通):固態(tài)電池生產(chǎn)工藝及行業(yè)研究現(xiàn)狀

作者 li, meiyong

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