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时间:2021年07月01日 来源:

锂电池还有很大发展空间

今年的诺贝尔化学奖授予锂电池领域,是对这个行业巨大的肯定和激励。锂电池从诞展到应用推广,当下仍面临着诸多艰巨的挑战。

从1991年索尼公司商业化生产批锂离子电池至今,上述锂离子来回“串门”的“摇椅式电池”成了有前途和发展快的市场。但受制于锂离子电池原理的限制,现有体系的锂离子电池能量密度已经从每年7%的增长速率下降到2%,并正在逐渐逼近其理论极限。与之相反,随着社会进步,人们对便携、清洁生活的需求更加强烈。

采用更少质量储存更多电量的电极材料,有望构筑能量密度更高的锂离子电池。金属锂的比容量高达 3860mAh/g,是构筑高比能电池的材料。但直接把金属锂作为电池负极材料使用的话,始终逃不开一个“跗骨之蛆”——枝晶。面对这个造成锂电池安全隐患的“大敌”,世界各国的科学家正在进行不懈努力。 锂电池电池检测武汉格瑞斯新能源。江苏软包电池测试仪价格

中国垄断锂电池,欧洲想摆脱依赖:远没那么容易


中国垄断锂电池产能

动力电池的种类很多,锂电池是重要的一类。



1983年,日本化学家吉野彰造出了世界个可充电锂离子电池的原型,开启了锂电池时代,也因此获得了2019年诺贝尔化学奖。



1991年,日本索尼与旭化成株式会社共同推出了全球块商业化的锂离子电池,并成功实现量产。



靠着技术和产业上的先发优势,在锂电池领域,日本长期占据着世界。



2005年开始,中国、韩国开始追赶。2014年,中国的锂电池产量超过了日本、韩国,跻身世界,直至。




中国锂动力电池市场占有率



数据显示,2019年初,全球锂电池制造能力达316千兆瓦时(GWh)。其中,中国锂电池产能位居世界**,占73%。排名第二的美国,只有12%。



具体到企业市场份额,全球锂电池生产企业,中国占据6家。




前锂电池企业市场份额



说中国垄断了锂电池产能,并不为过。




02欧洲想摆脱依赖

欧洲想摆脱锂电池靠进口的现状,有着长远的打算和现实的需求。



长远的打算,指的是环保考量。




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动力锂电池实验线

为了加快锂电池材料研发进程,研究团队于2010年斥资500万元建设了一条动力锂电池实验线,满足了18650圆柱电池和10Ah软包电池的制作和测试。2013年,研究团队承接了研究所“一三五”规划的三个重大突破项目——高能量密度动力锂电池材料技术,其目标不为新材料研发,而是延伸到高能量密度动力电池的研发。因此,实验室再次斥资800万元,在新建科研楼内建设高标准的动力锂电池实验线,室内维持无尘干燥环境,从配料制浆、涂布辊压、分切烘烤、封装焊接、注液化成、到充放电测试和安全测试的设备仪器一应俱全,可以满足100Ah以下多型号动力电池的研发要求。2016年,为顺利开展高能量密度动力锂电池项目,实验线再次添置了满足大容量电池卷绕工艺的系列设备。

目前已经在使用或接近商用的固态电池的电解质有:聚合物、硫化物和氧化物三种

氧化物电解质优势明显。氧化物电解质的稳定性好,循环寿命长(可达1000次以上),能量密度较高,倍率性能较好,同时成本较低。主要缺陷是界面接触问题尚未完美解决。氧化物电解质比较适合动力电池,如今国内企业大部分选择了金属氧化物动力电池,其制造工艺和改性水平也在稳步提升。

硫化物电解质工业化较为艰难。氧化物固态电解质中O被S取代后即硫化物固态电解质。S与Li+间结合力较弱,体系内可移动载流子数量大,因而硫化物固态电解质表现出较好的离子电导性。由于桥连硫的存在,具有高离子电导率的硫化物种类普遍易吸潮且空气稳定性差,空气稳定性相对较好的则普遍具有较低的离子电导率。此外硫化物体系作为电解质与电极接触时的界面阻抗普遍较高。该体系在电池中的实际应用还有不少问题需解决。

聚合物已实现量产,但难当动力大任。聚合物电解质具有更好的柔韧性和可加工性,与电极之间具有相对较好的接触面聚合物电芯可加工性较好、安全、无自燃风险。在移动电源市场上聚合物电池已经做到了量产。 圆柱电池检测设备,武汉格瑞斯新能源。

我国锂电研究者正在开展大量原创工作

中美日韩德英等国都制定了各自的电池发展战略,以期推动电池原理的创新以及技术的开发,支撑当代社会的可持续发展。我国锂电研究者们在国家和社会的支持下,围绕高效能量存储这个不变的“初心”,持续开展科学研究。

目前锂电池领域主流研究方向仍聚焦在寻找更安全高效的负极材料。由笔者带领的清华大学研究团队从2013年开始,在金属锂负极形核和无枝晶生长领域开展了原创性的科学研究。

研究发现,在金属锂负极中添加具有亲锂性的掺氮碳骨架,让电池中游离的锂离子在充电初始,就像小蝌蚪找妈妈一样,优先奔向青蛙妈妈——掺氮位点,在电池中形成均匀分布的金属锂“小团体”;在充电过程中,“小蝌蚪和青蛙妈妈”的“小团体”继续“抱团”。这种均匀沉积的行为可以避开以往形核少而产生的金属锂枝晶生长。

基于上述成果的论文2017年被化学领域期刊《德国应用化学》选为封面,今年还入选了由北京市科学技术协会主办的“北京地区广受关注学术论文”评选活动。研究团队在上述能源化学机理的基础上,进一步设计了碳锂复合负极。


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