德國慕尼黑工業(yè)大學( TUM )與烏爾姆大學亥姆霍茲研究所( HIU )的研究人員評估了全固態(tài)鋰離子和鋰金屬電池大規(guī)模生產面臨的挑戰(zhàn)和要求。他們向研究機構、材料供應商和汽車制造商的專家報告了其研究成果。
為了縮小材料研究和工業(yè)大規(guī)模生產之間的差距,該團隊提出了硫化物和氧化物基全固態(tài)電池( ASSB )從電極制造到電池組裝和質量控制的生產鏈解決方案。研究人員將硫化物基全固態(tài)電池和常規(guī)鋰離子電池的生產工藝進行了詳細比較,并且表明,雖然復合電極制造工藝可通過一些技術進行調整,但固體電解質隔離層的制造和鋰金屬陽極的集成將需要全新的工藝。
盡管目前在消費電子、工業(yè)和汽車應用中普遍存在,但常規(guī)鋰離子電池存在許多問題,包括原材料可用性、安全問題以及有限的儲能容量。研究人員Schnell表示:“為了滿足2025年對汽車應用的需求,將需要800 Wh/l的能量密度和超過300 Wh/kg比能量的電池。”
常規(guī)鋰離子電池由兩個電極、隔板及主要由非質子有機溶劑和導電鹽組成的液體電解質構建。
研究人員表示,目前鋰離子電池面臨的許多問題可以追溯到這種液體電解質。溶劑的易燃性導致電池的安全問題和副反應,導電鹽導致電池容量的衰減和老化。在電池生產過程中,電解液填充和潤濕過程以及廣泛的成型過程導致成本提升。
相比之下,由于缺乏易燃成分,全固態(tài)電池本質上更安全,并且能夠顯著提高能量密度。全固態(tài)電池采用固體電解質代替液體電解質,該固體電解質既可用作電絕緣體又用作離子導體。固體物理屏障(solid physical barrier)還能夠通過防止枝晶的形成而使用鋰金屬作為陽極材料。因此,與常規(guī)石墨電池相比,其體積能量密度可增加高達70 %。此外,固體電解質的電化學穩(wěn)定性可以促進高容量(如硫)或高電壓陰極材料的使用。
總體而言,研究表明,盡管需要在材料層面上進行不斷改進和開發(fā),以應對電池界面穩(wěn)定性和導電性受限等挑戰(zhàn),但未來的研究必須更加注重材料和生產成本,以便能夠快速投入市場。
原標題:德國高校評估量產全固態(tài)電池的挑戰(zhàn)和要求,提出生產鏈解決方案