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南策文院士:固态电池一定要走向实用化、规模化

固态电池是未来电池产业的核心,这一点已经是毋庸置疑的了。无论是在产品安全性、能量密度还是循环性能方面,固态电池都有潜力对电池性能产生质的突破。目前固态电解质主要分为聚合物、氧化物和硫化物三种,目前都很难达到液态电解质的水平,同时材料成本昂贵,对加工的要求也很高,难度极高。但是多方人士表示,固态电池一定会走向产业化。清华大学南策文院士也持这一观点。

南策文院士

固态电解质最看好LLZO

固态电池的关键材料固体电解质的研究,是决定固态电池可否实现产业化的根本因素。目前研究最多的固体电解质包括石榴石型氧化物(LLZO)、NASICON型氧化物、硫化物和聚合物固体电解质四种,南策文院士最看好LLZO,他认为LLZO的综合性能最为优异,具体表现在以下几个方面:

(1)LLZO具有的离子电导率以及可达到的面电阻可以满足应用的需求;

(2)LLZO粉体材料可以在大气环境下实现规模化生产;

(3)LLZO在化学上对锂金属稳定,为锂金属负极的使用提供了可能,LLZO的电化学窗口宽,可以和高电压正极相匹配,这些都为高能量密度固态电池的实现提供了材料基础;

(4)近几年来,越来越多的研究人员关注LLZO的研发,澄清了很多制约LLZO应用的瓶颈问题的关键机理,并给出了切实可行的解决方案。

对于多久才能将LLZO固态锂电池才能投入实际应用,南策文院士的看法是在未来的5-10年投入实际应用。在一些特殊的应用场合,例如医用或军用高温电池,可能LLZO固态锂电池会更早地进入应用。随着科学技术不断的进步,以及研究人员对固态电池认识的不断加深,都会缩短LLZO固态锂电池投入实际应用的时间。

成本问题不是最大的瓶颈

南策文院士认为全固态锂电池的倍率性能整体偏低等问题,都是科学技术问题,需要慢慢解决。成本问题不是最大的瓶颈。任何新技术、新产品刚一开始出来,成本都较高,一旦生产技术成熟、产量上去了,成本自然而然就能下来,所以成本是工业界解决的事情,不是学术界能解决的问题。

固态电池一定要走向实用化、规模化

南策文院士认为固态电池一定要走向实用化、规模化。如果一直在纸上谈,肯定不行。一个新技术出来,在热了一段时间后,一定要慢慢往产业应用方向走,哪怕迈出一小步也可以,但不迈出去不行。目前有不少大型公司,特别是国际知名车企,都宣布要量产固态电池,并制定了各自的发展路线计划。

南策文院士近年来在固态电池方面的成果一览

★ 新型锂电池陶瓷材料产业化项目落户盱眙

2018年4月清华大学南策文院士团队将新型锂电池陶瓷材料产业化项目落户盱眙。据了解,该项目投资3亿元,开展全固态薄膜电解质——锂镧钛氧和锂镧锆钽氧等陶瓷材料的研发及产业化,项目计划两年内建成年产1800吨锂离子固态电解质陶瓷材料和1200吨富锂锰基正极陶瓷材料生产线。

★ 固态电池实现量产

2018年11月19日,由清华大学南策文院士团队创建的苏州清陶新能源科技有限公司内,可日产1万只固态电池的固态锂电池产线正式投产,电池能量密度可达400Wh以上,产品将主要投用于特种电源、高端数码等领域。南策文研究的固态锂电池自主研发成功并实现量产对车企意义重大,将推动新能源汽车发展。

★ 固态锂电池电极-电解质接触问题的研究取得重要进展

中国科学技术大学马骋教授课题组和清华大学南策文院士团队在锂电池固态电解质的研究上取得重要进展。研究者使用球差校正透射电镜对固态电解质和电极材料的界面进行观测,发现富锂层状结构的正极和钙钛矿结构的固态电解质之间可以形成外延界面。该方法的提出为克服固态电池中电极-电解质接触差这一瓶颈提供了新思路。

★ 高电导硫化物/聚合物复合电解质助力高性能全固态锂硫电池

全固态锂电池(ASSLBs)具有较高的理论容量和良好的安全性,被认为是未来能源存储设备的理想选择。在各种固体电解质中,具有高离子导电性、制备方法方便和低界面阻抗等优点的硫化电解质备受关注。然而含无机固态电解质的ASSLBs通常具有较厚的电解质层(大于1mm),这显著降低了电池的能量密度。因此,制备一种具有自支撑性能的低厚度高电导的电解质层是实现高性能ASSLBs的关键。

基于此,清华大学南策文院士和李亮亮副研究员通过液相法制备了一种厚度仅为120μm且具有自支撑性能的78Li2S-22P2S5玻璃陶瓷(7822gc)/聚合物复合固体电解质膜。在加入锂盐的条件下,该7822gc/PEO或7822gc/PVDF复合电解质的室温电导率可达4-7×10−4S cm-1。该复合电解质膜的面积电导高达59.0mS cm−2,约为纯7822gc电解质片的2.7倍。

南策文院士认为固态电池大规模应用,比如成为动力电池,可能还有一段时间。但是可以先做特种电池,比如军用电源、数码领域、石油、电力等行业,已经开始有应用。动力电池领域更多是在试验检测阶段,目前要解决的首要问题是安全。所以固态电池一定会实现产业化,只是还需要时间!

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