氧化物固态电池”的量产技术与成本分析

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摘要:基于固态电解质的全固态电池技术是最有希望的下一代电池技术候选着,包括崔屹、Goodenough等一批顶尖学者都对全固态技术抱以厚望。

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目前国内过后有多家动力电池厂商推出了重量能量密度在3000Wh/kg以上的动力电池产品,以满足电动汽车日益增加的续航里程对高能量密度动力电池的需求,而且基于液态电解液的锂离子电池能量密度马上要触碰到天花板,目前普遍认为现有的锂离子电池体系的能量密度上限是33000Wh/kg,要进一步提升电池的能量密度就时需采用新的体系,从现有的技术来看,基于固态电解质的全固态电池技术是最有希望的下一代电池技术候选着,包括崔屹、Goodenough等一批顶尖学者都对全固态技术抱以厚望。

全固态电池采用固态电解质,相比于液态电解质其机械速率单位更高,不要 抑制锂枝晶的生长,而且理论上全固态电池上能通过采用Li金属负极达到30000Wh/kg以上的能量密度,而且实际上固态电池还趋于稳定诸多问题时需克服,类事界面接触问题、固态电池生产工艺和固态电解质膜薄化等等,而且目前绝大多固态电池仍然趋于稳定实验室探索阶段。

固态电解质从成分上主要上能分为氧化物类、硫化物类和有机聚合物类,其中氧化物电解质过后高电导率和良好的环境适应性得到了广泛的研究,今天大伙就来分析一下氧化物电解质的量产技术和成本。

首先大伙来对比一下氧化物类、硫化物类和有机聚合物类固态电解质的优缺点(如下表所示),聚合物类电解质在加工性上要远远好于很多两类电解质,而且聚合物电解质在常温下电导率较低,对电池的放电能力有一定的影响,硫化物电解质电导率优异,加工性能较好,而且在大气环境中会与空气中的水分趋于稳定反应,生成剧毒的H2S甲烷甲烷气体,而且生产过程时需在保护气氛中进行,氧化物固态电解质电导率优异,空气环境中的稳定性优异,而且加工性能较差。

固态电解质相对于液态电解质电导率较低,而且为了降低电池的内阻,提高电池的大电流放电能力,时需将固态电解质膜尽过后的做薄,固态电解质的面电阻上能通过下式计算,其中L为电解质的角度,δ为电解质的电导率,大伙以电导率为20mS/cm,角度为25um液态电解质为例,其面电阻为0.125Ω/cm2,而且实际上过后液态电解质采用的隔膜孔隙的迂曲度较大,而且实际上电解液的面电阻可达3.75Ω/cm2,而固态电解质不时需采用隔膜,而且要实现与电解液相同的面电阻,固态电解质的电导率上能更低很多,大伙以10um的固态电解质为例,要达到与电解液相近的效果,仅时需电导率达到0.27mS/cm。

氧化物固态固态电池制备面临的问题主却说怎么才能 才能 获得更低孔隙率和更高电导率的电解质层,为了实现这种 目标,烧结是常用的法律法子,而且近年来的研究表明在高温下大多数的正极材料都是与固态电解质趋于稳定反应,类事LNMO与LLZ在3000℃以上会趋于稳定反应,NCM622材料与LLZ在700℃以上时就会趋于稳定反应,而且为了降低固态电解质的孔隙率和提高电导率烧结温度通常时需达到30000℃以上,而且氧化物固态电池的正极制备暂且能通过简单的烧结进行出理 ,而时需采用更加比较复杂的工艺。

固态燃料电池(SOFC)和固态电容器(MLCC)中也采用了氧化物固态电解质技术,不要 为氧化物全固态电池的生产提供一定的参考,目前常见的不要 用于氧化物固态电解质薄膜的制备工艺如下表所示,其中气相沉积法律法子在制备大尺寸和大角度(5-300um)的薄膜时出错概率缺乏,而且暂且实用,而等离子或火焰喷雾法则过后材料的稳定性问题也无法应用,而且最上不要 用于氧化物全固态电池生产的法律法子仅有6种,下图展示了6种薄膜制备法律法子在固态电解质层和正极层制备中的便利程度,以及在固态电池制备种的可靠性。

下图为作者根据上方的分析设计的有四种 可行的氧化物固态电池的生产流程,其中下图a为正极支撑型,首先将正极材料、固态电解质、粘结剂、去掉 剂和溶剂等混合浆料涂布在集流体上,干燥后进行激光切割,而且进行低温焙烧,而且再次进行激光整形,而且采用喷雾沉积法律法子在电极表层沉积一层固态电解质层,而且在中等温度下进行烧结(3000℃),制备好的极片与金属锂负极组合后就上能制备成为全固态电池,这种 法律法子的优势是不时需采用高温,而且出理 了副反应的趋于稳定,一并正极和电解质层上能采用不同的固态电解质类型,以充分发挥大伙的优势,该法律法子主要的不性性心智成熟期 是什么环节为喷雾沉积法工艺。

下图b则展示了三层复合底部形态固态电解质层电池的制备工艺,首先进行多孔底部形态电解质层的制备,而且再涂布一层高密度电解质层,高温烧结后在多孔层一侧涂布正极浆料,使其深入到多孔底部形态中,而且进行低温烧结,确保正极材料与电解质之间良好的离子电导率,最后将挥发的金属Li涂布在固态电解质的另外一侧完成电池的组装。

影响动力电池应用的另一大因素却说其生产成本,嘴笨 目前固态电池多数还守候在实验室阶段,成本估计还缺少有效数据,而且大伙上能通过与其接近的SOFC燃料电池进行估算(如下图所示),下图a为SOFC电池的生产成本,包括人工和烧结在内的加工成本占到了75%,而材料成本仅为25%。过后三层复合电解质层固态电池的生产过程与SOFC电池接近,而且大伙上能采用SOFC数据对其成本进行预测,目前全固态电池的材料成本主要受到氧化物固态电解质LLZ的控制,目前LLZ的价格高达30000$/kg,而且随着固态电池技术的发展,而且LLZ的成本会趋于稳定大幅的下降,这上上能假设LLZ最低成本不要 降低到3000$/kg,而且在电池底部形态相近的状况下,正极LNMO角度为70um时,单个电池的成本为0.12$,过后降低正极的角度提高到3000um,则单个电池成本会提高到0.23$。

过后固态电池的生产成本中大多数为生产过程成本,而且扩大生产规模不要 有效的降低电池的成本,从下图b不要 就看在小规模生产(300000只/年)时生产过程成本会达到73000-230000$/kWh,而且过后产能扩大到1亿只/年(10-20GWh/年),则生产过程成本会大幅下降到75-240$/kWh,而且最终全固态电池的成本有望下降到140-33000Wh/kg。而且即便这么,生产过程成本仍然占比超过3000%,相比于锂离子电池(过程成本仅为20-300%)仍然明显偏高。

材料成本仍然对于固态电池有重要的影响,从下图c不要 就看过后LLZ电解质的成本下降到20$/kg,则采用LNMO正极时电池的成本不要 降低到13000-310$/kWh,过后采用高镍NMC则成本有望进一步下降到120-210$/kWh,而全固态电池最终目标3000$/kWh,还时需进行几瓶的优化工作。

氧化物固态电解质电导率高,环境稳定性好,是固态电池电解质的最佳选着之一,而且固态电解质硬度大,加工性能较差,而且设计要花费的生产工艺就显得更为重要,一并现阶段过后固态电池的生产成本还比较高,后续通过原材料成本下降和规模效应不要 有效的降低的固态电池的生产成本,有望降低到3000$/kWh。