Могут ли твердотельные батареи победить эру Ningde?

Могут ли твердотельные батареи победить эру Ningde?

«Пять минут зарядки и два часа разговора», токсичность этого слогана сравнима с «Мелатонином». Сегодня у этого слогана также есть автомобильная версия - «заряд за минуту, время автономной работы на 800 километров».

В начале 2018 года иностранные СМИ выпустили сообщение, что бренд электромобилей Fisker подал заявку на патент на твердую литиевую батарею, максимальный срок службы 800 километров, зарядка всего за 1 минуту.

С отказом от использования транспортных средств и аккумуляторов на новых источниках энергии цена на литиевые аккумуляторы снижается, а валовая прибыль компаний, производящих аккумуляторные батареи, снижается. В то же время литиевые батареи, разработанные в настоящее время большинством компаний, не смогли существенно улучшить, исключив электромобили. "Беспокойство о пробеге".

Таким образом, появилась полностью твердотельная батарея с плотностью энергии в три раза выше, чем у тройной литиевой батареи, и она смогла победить только эру Ниндэ.

С 2017 года появились компании, которые разработали твердотельные батареи, а полностью твердотельные батареи стали предметом исследований для компаний.

Недавно немецкая Volkswagen Group подтвердила, что она инвестировала 100 миллионов долларов США в совместную разработку твердотельных батарей QuantumScape. «Мы объединим усилия с Volkswagen в качестве специалиста по производству автомобилей и с опытом QuantumScape как лидера в технологии твердотельных аккумуляторов, чтобы ускорить коммерциализацию продуктов QuantumScape для твердотельных аккумуляторов», - сказал Аксель Генрих, руководитель отдела исследований Volkswagen Group.

В текущих различных новых аккумуляторных системах твердотельные батареи используют новые твердотельные электролиты для замены существующих органических электролитов и сепараторов с высокой безопасностью, высокой объемной плотностью энергии и различными новыми высокоэнергетическими системами электродов (такими как системы литий-сера). , металлы). Пневматическая система и т. Д. Имеет широкий диапазон адаптируемости и может дополнительно улучшить удельную массу энергии, что, как ожидается, станет окончательным решением для следующего поколения аккумуляторных батарей, вызывая повсеместное беспокойство многих исследовательских институтов, стартапов и некоторых автомобильных компаний. в Японии, США и Германии.

Что такое твердотельный аккумулятор?

Как следует из названия, все материалы в батарее твердые, без жидкости или жидкости. Следует отметить, что, поскольку литий-ионные аккумуляторы являются наиболее распространенными аккумуляторами в нашей повседневной жизни, мы обычно используем полностью твердотельные литий-ионные аккумуляторы в качестве представителя полностью твердотельных аккумуляторов по умолчанию. Таким образом, твердотельный аккумулятор, упомянутый в этой статье, является литий-ионным твердотельным аккумулятором по умолчанию. Аккумулятор.

По словам профессора Ли Хун и профессора Сюй Сяосюн, возглавляющих исследования твердотельных батарей в Китае, все твердотельные батареи пройдут три стадии: полутвердые (2018 г.), квазитвердые (2020 г.) и все остальные. -твердый (2022 г.). ).

В настоящее время реализована технология полутвердого состояния, то есть твердый электролит, используемый в качестве защитного слоя металлического лития отрицательного электрода, одновременно поддерживая жидкий электролит. Однако полностью твердотельные батареи все еще находятся на экспериментальной стадии в лаборатории и не могут быть реализованы в коммерческих целях.

Как упоминалось в начале статьи, все твердотельные батареи имеют множество преимуществ перед традиционными литий-ионными батареями.

Маленький размер

Объемная плотность энергии батареи - очень важные справочные данные. В зависимости от области применения требования от высокого к низкому: бытовая электроника> бытовой электромобиль> электробус.

В традиционных литий-ионных батареях необходимо использовать сепаратор и электролит, которые вместе составляют почти 40% объема и 25% массы батареи. Если их заменить твердыми электролитами (в основном органическими и неорганическими керамическими материалами). Расстояние между положительным и отрицательным электродами можно сократить даже до нескольких или нескольких десятых долей микрометра, так что толщина батареи может быть значительно увеличена. уменьшенный.

Это означает, что после использования полностью твердотельной батареи в автомобиле больше не будет такой тяжелой батареи, как собственный вес, и она не будет ездить по дороге.

2. Высокая безопасность

Для электромобилей крайне важна безопасность аккумулятора. Авария самовоспламенения транспортных средств на новой энергии не прекратилась, даже Tesla, самая высокая часть глобального транспортного средства на новой энергии, не застрахована.

Обычные литий-ионные батареи чрезвычайно склонны к нагреванию из-за аномальных органических условий, таких как длительная зарядка и внутреннее короткое замыкание из-за используемого органического жидкого электролита, что приводит к набуханию, самовозгоранию или даже взрыву электролита. Многие неорганические твердые электролиты негорючие, некоррозионные, нелетучие и не имеют проблем с утечкой. Полимерный твердый электролит имеет значительно улучшенную безопасность батареи по сравнению с жидким электролитом, содержащим легковоспламеняющийся растворитель.

3. Высокая плотность энергии

Твердые электролиты обычно имеют широкое электрохимическое окно, как и небольшая рама, поэтому можно установить больше высоковольтных катодных материалов. В сочетании с небольшими размерами и стабильностью твердотельных батарей можно упростить управление батареями и естественным образом увеличить плотность энергии.

В настоящее время плотность энергии полностью твердотельных батарей составляет около 400 Втч / кг, а расчетное максимальное значение потенциала составляет 900 Втч / кг, что более чем на 100% требует улучшения.

Высокая плотность энергии означает, что срок службы батареи увеличивается. Одним из факторов, мешающих развитию электромобилей, является то, что текущий срок службы батареи не может быть нарушен. Если вы получите полностью твердотельную батарею, вы можете избавиться от «беспокойства о пробеге». Даже если в начале статьи он заряжался за одну минуту, 800 километров не невозможно закончить.

Не все твердотельные батареи могут «подняться в небо»

Несмотря на множество преимуществ полностью твердотельных батарей, выйти из лаборатории не так-то просто.

Во-первых, сопротивление интерфейса твердотельной батареи слишком велико. Граница раздела между твердым электролитом и материалом электрода находится в твердо-твердом состоянии, поэтому эффективный контакт между электродом и электролитом слаб, а кинетика переноса ионов в твердом веществе низкая.

Вторая проблема с зарядкой. Владельцы электромобилей не хотят тратить больше времени на зарядку. Однако, если вы используете полностью твердотельную батарею, ее сложнее быстро зарядить.

Импеданс и проводимость батареи показывают, что внутреннее сопротивление велико, что будет препятствовать зарядке, а поскольку внутреннее сопротивление велико, в процессе зарядки будут происходить потери энергии. Эту часть потерь энергии нельзя игнорировать. Кроме того, материал твердотельной батареи может расширяться или сжиматься во время процесса зарядки и разрядки, что приводит к легкому разделению интерфейса.

За этим следует наиболее важный вопрос стоимости. Стоимость - самый большой фактор, препятствующий коммерциализации.

В настоящее время электролиты полностью твердотельных литиевых батарей состоят в основном из двух основных систем: органической и неорганической, и их стоимость обычно высока. В частности, сложные процессы, такие как CVD / PVD, позволяют получить множество неорганических батарей, а производство (осаждение пленки) является медленным и дорогостоящим. Одноэлементный элемент имеет небольшую емкость и часто подходит только для аккумуляторов небольших электронных устройств, не говоря уже об автомобилях.

Кроме того, процесс подготовки твердотельной батареи недостаточно развит, а сбор данных об использовании батареи не является исчерпывающим. Только в производстве электролитов для полностью твердотельных батарей технической незрелости двух основных проблем оптимизации интерфейса твердое тело-твердое тело достаточно, чтобы сделать стоимость твердотельных аккумуляторов высокой.

Кроме того, полностью твердотельные батареи еще не получили широкого распространения.

В то же время, когда твердотельные батареи нагреваются на рынке капитала в этом году, промышленность поражена; большинство людей говорят, что коммерциализировать твердотельные батареи еще рано.

Ли Вэй, исследователь из Института физики Китайской академии наук, сказал, что для того, чтобы коммерциализировать твердотельные батареи, должны быть достаточные технические резервы и группы НИОКР, потому что технология литиевых батарей обычно требует как минимум 15 лет эксплуатации. время разработки.

Ван Жунджин, партнер Jinbang Capital, инвестирующий в литиевые батареи, сказал Daily Economic News, что большинство сотрудников отдела исследований и разработок, с которыми он связался, пессимистично относятся к твердотельным батареям и считают, что их коммерциализация в краткосрочной перспективе затруднительна.

Еще в 2010 году Toyota представила электромобили, использующие твердотельные батареи и имеющие запас хода до 1000 километров. Однако сотрудники Toyota также признали, что твердотельные батареи Toyota все еще находятся на стадии лабораторных исследований.

Ли Вэй описал текущую коммерциализацию твердотельных батарей как «так называемые твердотельные батареи только видят концепцию, но не знают о производительности; слышал только о безопасности, но не слышал об отчете об испытаниях на безопасность». Он сказал, что из общедоступных данных нет систематического выпуска данных для твердотельных батарей, а топливные элементы имеют системные данные, такие как размер, мощность и срок службы батареи. Если эти данные станут общедоступными, эта технология станет зрелой.

Действительно, на сегодняшний день многие автомобильные компании указали, что они предприняли некоторые шаги в этом отношении, но ни одна из них фактически не предоставила данных.

Выложили отечественные и зарубежные гиганты

Хотя для крупномасштабных аккумуляторов крупномасштабная коммерциализация автомобилей не является темой в настоящее время, многие автомобильные компании, поставщики аккумуляторов и т. Д. Приложили большие усилия в этом отношении. Ведущие компании в аккумуляторной индустрии, такие как Toyota, Panasonic, Samsung, Mitsubishi и отечественная эпоха Ningde, активно развернули резервные исследования и разработки твердотельных аккумуляторов.

Условно говоря, технологическая зрелость выше, а технология глубже. Он принадлежит Bolloré из Франции, Sakti3 из США и Toyota из Японии. Эти три также представляют типичное направление развития технологии трех твердых электролитов из полимеров, оксидов и сульфидов.

Bolloré, известный в Европе, использует систему полимерного электролита, а Samsung использует систему сульфидного электролита. Немецкий гигант автомобильных запчастей Bosch (BOSCH) приобрел американскую компанию по производству аккумуляторных батарей Seeo в 2015 году. Затем Bosch и Seeo вместе со знаменитой японской компанией GSYUASA Battery Company и Mitsubishi Heavy Industries открыли новый завод, специализирующийся на литий-ионных батареях с твердотельным анодом.

В области автомобильных аккумуляторов японские компании были в авангарде. Еще в 2013 году на его долю приходилось 70% мирового рынка, но к 2016 году этот показатель упал до 41%. В настоящее время правительство Японии надеется вернуть себе доминирующее положение на рынке за счет расширения исследований и разработок полностью твердотельных батарей.

В мае 2017 года Министерство экономики Японии объявило, что инвестирует 1,6 миллиарда иен в совместную разработку твердотельных аккумуляторов, таких как Toyota, Honda, Nissan, Panasonic, GS Yuasa, Toray, Asahi Kasei, Mitsui Chemicals и Mitsubishi Chemical. . Он надеялся, что цель 800 километров будет достигнута к 2030 году.

Toyota также объявила о сотрудничестве с Panasonic в разработке твердотельных батарей; BMW объявила о сотрудничестве с SolidPower для разработки твердотельных литиевых батарей; Bosch и известная японская компания по производству аккумуляторов GSYUASA (Tangshhao) и Mitsubishi Heavy Industries совместно создали новый завод, специализирующийся на литий-ионных батареях с твердотельным анодом; внутри страны зарубежные страны не отказались от него в этом отношении.

Перед официальной разработкой твердотельных аккумуляторов в эпоху Ниндэ проводились исследования мировых компаний, производящих твердотельные аккумуляторы, и определено их собственное направление развития. В октябре 2016 года доктор Лю На, Ningde Times New Energy, представил схему и направление исследований и разработок эпохи Ниндэ в области полимерных твердотельных литий-металлических батарей и сульфидных твердотельных батарей.

Более того, в процессе разработки эпохи Ningde компания также занимается производством твердотельных батарей. Полностью производственный процесс твердотельных батарей отличается от традиционного процесса производства литий-ионных аккумуляторов и требует нового оборудования и новых процессов. Поэтому развитие процесса также осуществлялось в эпоху Ниндэ. .

Кроме того, в 2017 году компания Guoxuan Hi-Tech, которая уже начала разрабатывать твердотельные батареи и твердые электролиты, сообщила, что компания развивает производство аккумуляторных батарей нового поколения, технологии в США и Японии в соответствии с требованиями к продукции для сотрудничество с международными первоклассными автомобильными брендами. Что касается производственного оборудования, в сопутствующих продуктах будет использоваться технология полутвердых аккумуляторов. Компании также будут уделять пристальное внимание разработке и индустриализации ключевых сырьевых материалов, включая твердые электролиты.

В марте 2018 года Guoxuan Hi-Tech заявила на платформе взаимодействия с инвесторами, что технология полутвердых аккумуляторов компании в настоящее время находится на стадии преобразования из лаборатории в лабораторию.

Благодаря быстрому развитию электромобилей во всем мире, полностью твердотельные батареи могут быстро повысить долговечность автомобилей, что, несомненно, является неизбежным направлением для будущего развития аккумуляторов. Под двойным влиянием «политики двойного действия» и субсидий это означает, что конкуренция в аккумуляторной отрасли станет более интенсивной, что вынудит эти компании сосредоточиться на аккумуляторных технологиях следующего поколения, твердотельных аккумуляторах или более совершенных. Выбирать.

Кроме того, инвестиции и финансирование твердотельных аккумуляторов объективно способствовали исследованиям и разработкам твердотельных аккумуляторов, стимулировали промышленность и отрасль и способствовали тому, что промышленность делает упор на твердотельные аккумуляторы.

Однако, что касается проводимости, скорости ячеек, эффективности подготовки батареи и контроля затрат на твердые электролиты, всем твердотельным батареям еще предстоит пройти долгий путь.

Страница содержит содержимое машинного перевода.