新论文回顾力学因素如何改变固态电池的循环过程

新论文回顾力学因素如何改变固态电池的循环过程该图像概念化了固态锂电池玻璃离子导体的加工、结构和机械行为。图片来源：AdamMalin/ORNL，美国能源部"我们的目标是强调力学在电池性能中的重要性，"ORNL多物理场建模与流动小组的科学家SergiyKalnaus说。"很多研究都侧重于化学或电学特性，却忽略了显示潜在的力学特性。"该团队横跨ORNL的多个研究领域，包括计算、化学和材料科学。他们从不同的科学视角出发，对影响SSB的各种条件进行了综合研究，从而描绘出一幅更具凝聚力的图景。Kalnaus说："我们正在努力弥合学科之间的鸿沟。"固体电解质：更安全、更坚固的替代品在电池中，带电粒子流经称为电解质的材料。大多数电解质都是液体，如电动汽车中的锂离子电池，但固体电解质也正在开发中。这些导体通常由玻璃或陶瓷制成，具有更高的安全性和强度等优点。Kalnaus说："真正的固态电池内部没有易燃液体。这意味着它们的危险性低于目前常用的电池。"然而，由于这些新型材料所面临的挑战，固态电解质仍处于早期开发阶段。固态电池组件在充电和质量传输过程中会膨胀和收缩，从而改变系统。电极在电池运行过程中不断变形，在与固体电解质的界面处产生分层和空隙。"在当今的系统中，最好的解决办法是施加大量压力，使所有东西保持在一起。这些尺寸变化会损坏固体电解质，因为固体电解质是由脆性材料制成的。它们经常在应变和压力作用下破裂。如果能使这些材料更具延展性，它们就能通过流动而不是开裂来承受压力。通过一些在陶瓷电解质中引入小晶体缺陷的技术，可以实现这种行为。工程阳极和固体电解质电子通过阳极离开系统。在固态电池中，阳极可由能量密度最高的纯锂金属制成。虽然这种材料在电池功率方面具有优势，但它也会产生压力，从而损坏电解质。"在充电过程中，不均匀的电镀和应力消除机制的缺失会造成应力集中。这些应力集中会产生很大的压力，导致锂金属流动，"ORNL的机械性能和力学小组组长ErikHerbert说。"为了优化固态电解质分离器的性能和寿命，我们需要设计下一代阳极和固态电解质，使其能够在固态电解质分离器不断裂的情况下保持界面的机械稳定性。"该团队的工作是ORNL长期研究SSB材料历史的一部分。20世纪90年代初，该实验室开发出一种被称为氧化磷锂（或LiPON）的玻璃电解质。锂磷氧化物已被广泛用作薄膜电池的电解质，这种电池具有金属锂阳极。这种元件可以承受多次充放电循环而不发生故障，这主要归功于LiPON的延展性。当遇到机械应力时，它会流动而不是开裂。"近年来，我们了解到LiPON具有强大的机械性能，可以补充其化学和电化学耐久性，"领导该材料开发团队的ORNL科学家NancyDudney说。该团队的努力凸显了SSB研究不足的一个方面--了解影响SSB寿命和功效的因素。"Kalnaus说："科学界需要一个路线图。在我们的论文中，我们概述了固态电解质的材料力学，鼓励科学家在设计新型电池时考虑这些因素。"参考文献"固态电池：力学的关键作用"，作者：SergiyKalnaus、NancyJ.Dudney、AndrewS.Westover、ErikHerbert和SteveHackney，2023年9月22日，《科学》。DOI:10.1126/science.abg5998编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403615.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403615.htm

全固态电池干法制备取得新突破

全固态电池干法制备取得新突破5月21日，记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉，该所一研究团队利用熔融黏结技术，干法制备出具有出色柔韧性的超薄硫化物固态电解质膜，其优异的力学性能、离子电导率以及应力耗散特性可有效抑制电池内部应力不均导致的机械失效。运用该方法制备出的一体化全固态电池具有优异的界面稳定性、长循环性能。研究成果以“熔融粘结干法制备具有超薄电解质的硫化物全固态电池”为题发表在《先进材料》上。（科技日报）

近日，不少投资者在互动平台向上市公司提问固态电池相关产业布局情况。“随着固态电池材料体系的优化升级，固态电池产业链还是存在潜在的

近日，不少投资者在互动平台向上市公司提问固态电池相关产业布局情况。“随着固态电池材料体系的优化升级，固态电池产业链还是存在潜在的机会。”有受访电池企业人士表示，在下游需求的带动下，固态电池有望成为液态锂离子电池体系的补充。不过，目前，全固态电池仍面临着大规模量产及商业化的难题。中国科学院院士孙世刚在2024年百人会论坛上表示，全固态电池面临的挑战主要是来自如何进一步提升固态电解质的离子电导率、与锂金属和高比能电极材料的匹配性，和构筑相对稳定的固固界面。已经发展的各种提升固态电解质性能的策略取得重要进展，但还需要加大力度推进固态电池产业化发展。（证券时报）

固态电池，小心被“玩”坏

固态电池，小心被“玩”坏来源/镜观台拍摄海外市场方面，丰田计划2027年实现全固态电池装车；韩国SKOn正在开发高分子氧化物复合和硫化物两种固态电池，目标是到2026年生产出原型产品，2028年实现商业化；三星SDI正在开发一种没有负极的固态电池，预计将于2027年量产。固态电池的消息满天飞，动力电池的霸主宁德时代也不得不出来发声。宁德时代首席科学家吴凯表示，全固态电池的成熟度指标，若用1-9数字表示，宁德时代目前的成熟度在4的水平，目标到2027年到7-8的水平。简言之，宁德时代的固态电池离量产还尚早。在全固态电池研发方面已有十多年的积累，且有近千人研发团队的宁德时代尚且如此，近一两年量产，甚至宣称已经搭载上车的固态电池，其成色问题就值得商榷了。固态电池虽好，经不起“恶搞”新能源汽车行业发展离不开动力电池，目前的动力电池无论是三元锂电池还是磷酸铁锂，虽然在整车安全、续航里程等方面还在进步，但一定程度上在技术上已经很难有大的突破了。随着锂离子电池成本优化接近极限，新能源汽车产业正迫切寻求技术革新以突破现有瓶颈。固态电池作为下一代电池技术的明星产品，凭借其在安全、能量密度及循环寿命方面的显著优势，被视为推动电动汽车发展的新引擎。所谓固态电池，顾名思义，是和液态电池相对应的，是一种使用固态电极和固态电解质的电池。目前市面上主要的锂离子电池内置是含有液态电解质的。传统液态电池由正极、负极、电解液、隔膜四大部分组成。固态电池用固态电解质替换传统液态电解液和隔膜。固态电池的核心特征就在于使用固态电解质，这也是实现固态电池高能量密度、高循环稳定性、高安全性的关键。其工作机理与传统锂电池一致，依靠锂离子在正极和负极之间往返移动，进行化学能和电能之间的转换与储存。根据液态电解质的含量逐步下降，固态电池发展路径可分为：半固态电池、准固态电池和全固态电池。这也就给了一些车企在宣传上提供了“便利”，第一家、第一款、第一代的修饰语层出不穷。腾势汽车总经理兼首席共创官赵长江也忍不住在微博吐槽“就是在玩文字游戏”。中科院院士、清华大学教授欧阳明高也认为，中国在全固态电池领域的研发，目前来看认识还不统一。显然，过度炒作对固态电池的发展极为不利。事实上，作为全固态电池的过渡方案，半固态电池在性能上已大幅提升，安全性较好、能量密度较高、循环寿命更长、工作温度范围更宽、耐挤压、耐震动等。但从制造工艺来说，半固态电池基本可沿用现有液态电池的制造工艺，生产难度远远小于全固态。液态变固态，换“汤”也换“药”但液态电池要直接升级为固态电池，就需要“改头换面”了。如果把动力电池比作汤药，那电解质可以说是“汤”，正负电极和隔膜可说成是“药”。从液态电池到固态电池，不光是把“汤”换了，液态电解质变成固态，“药”也逐步换了。基于目前固态电池的发展历程，还可以将固态电池的发展分为三个阶段：第一阶段：将传统的电解液换成固态电解质，正负极和传统用的是一样，均采用负极石墨和正极三元锂或磷酸铁锂；第二阶段：更换负极材料，取消掉负极的石墨或硅，使用金属锂来提升能量密度；正极不变，采用磷酸铁锂或者三元材料。第三阶段：正负极都换，负极用金属锂，正极就可以换成不含锂的高能量的材料。如此来看，第一阶段换的就是“汤”，第二三阶段就是把“药”也换掉了。换“汤”比较好理解，固体电解质相对于电解液，电化学范围更广（电压更广），电解质不参与化学反应，让锂离子通过。因此，可以选择容量更大的正极材料，或者选择电压差更大的正负极材料，从而提高能量密度。那为什么要把作为“药”的正负极也更新换代呢？按照目前提高电池能量密度的手段，在正极端不断地提高镍的含量虽然可以提升电池能量密度，但是高镍电池对电池的稳定性要求具备更高的电池管理基础。因此，三元锂短期内要突破一个量级还是有一定的挑战。未来，可能也只有固态电池会将电池能量密度提升一个量级。太蓝新能源就在近日宣布成功制备出世界首块车规级单体容量120Ah，实测能量密度达到720Wh/kg的超高能量密度体型化全固态锂金属电池。作为对比，目前磷酸铁锂电池的能量密度为160-180wh/kg左右，三元锂在150-250Wh/kg之间。另外，固态电池凭借自身较高的机械强度在运用的过程中可以抑制电池循环使用之中的锂枝晶的刺穿，使锂金属负极的应用不再是梦想。把电极换为金属锂，其比容高，电压大，避免了液态电池用金属锂作负极会因多次充放电粉化、枝晶生长，导致循环性差，甚至枝晶刺穿薄膜，引起短路的风险。固态想上位，至少还需20年？这些显然就是固态电池大受欢迎的原因所在。高安全性一定是固态电池的首要优势。根据有关数据，新能源汽车起火事故原因中，电池自燃占比31％。相较之下，固态电解质不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发、不漏液，同时具有一定机械强度，安全性更好；半固态电解质中液体占比也小于10%，可燃性大大降低。五一假期发生的多起新能源车燃烧事件，更让消费者期待固态电池的到来。同时，固态电池拥有更高能量密度和较小体积。固态电池电化学窗口宽，能承受更高电压（5V以上），材料选择范围广。因此，可通过采用高比容量的正极、负极材料，使能量密度达到500Wh/kg甚至更高，远超液态350Wh/kg理论极限。而固态电解质取代隔膜和电解液，正负极之间的距离可以缩短到只有几到十几个微米，从而大幅降低电池厚度。因此，同样电量情况下，固态电池体积更小。另外，固态电池还具备宽温区运行的优势。电动车在冬季续航里程之所以下滑明显，主要在于液态电解质在冬季低温环境下流动性下降。而固态电解质可以在-30℃至100℃的更广泛温度范围内稳定工作。当然，固态电池也并非完美无缺，目前来看还是有很多缺点存在的。比如：与液态电解质相比，固态电解质与电极材料之间的接触面积较小，导致离子传输速度较慢，影响了电池的充电和放电效率；界面电阻太大，使得快充过程中的能量损耗增加，快充效率受限；固态电池的充放电循环次数有限，循环寿命较短；生产技术尚不成熟，工艺复杂，生产效率低，导致其成本远高于液态电池。这些显然都是固态电池全面商业化必须面对的挑战。欧阳明高就表示，全固态电池是公认的下一代电池的首选方案之一，也是下一代电池技术竞争的关键制高点，但是也要注意防范激进技术路线带来的颠覆性风险。“液态电池的应用周期至少还有20年。固态电池要想替代液态锂离子电池50%的市场份额，至少需要20至30年。”欧阳明高如是说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430090.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430090.htm

宁德时代：全固态电池有望2027年小批量生产

宁德时代：全固态电池有望2027年小批量生产“2027年，宁德时代全固态电池小批量生产机会很大，但受成本等因素制约，大规模生产尚不能实现。”吴凯表示。今年以来，全固态电池不断掀起热议，而此次重庆国际电池技术交流会，也专门开设了全固态电池技术讨论专场，会场中座无虚席，不少人席地而坐，足以显示市场和公众对这一崭新电池技术的关注。“十余年来，我国动力电池行业已在核心技术、市场规模、成本价格方面取得先发优势。但是我们也注意到消费者对动力电池还有更高的要求和期待，寻找高能量密度和高安全兼得的动力电池是我们的主要研发方向，也是一项长期的工作。在各条技术路线上，全固态电池具有巨大的潜力，是下一代动力电池重要发展方向。”在演讲中，吴凯表示。从国家层面上来看，中国、美国、日本、韩国、欧盟均出台相关发展规划和战略，各国重兵投入，其本质是希望能够在全固态电池技术上率先取得突破，来改变目前动力电池的市场格局。从产业链布局来看，上游基础材料及设备，中游全固态电池研发和制造，下游应用，我国企业参与的最多，产业链上企业都很有热情，但是我们也要清醒地看到，海外企业在全固态电池专利布局上具有一定优势，需要尽快迎头赶上。在吴凯看来，全固态电池之所以吸引了全世界的投入，其核心价值在于其能够在安全底座保证的前提下较大幅度的提升能量密度，帮助动力电池在应用中有明显改善，而其他体系要达到这样的效果比较困难。据介绍，世界范围内的研究，对固态电池按照电解质区分，主要是3个路线，聚合物、氧化物和硫化物。理想的电解质需要拥有较好的离子电导率，对高电压正极、锂金属负极有较好的电化学稳定性，并且制造安全和便捷，当然也要兼顾成本的可负担性。吴凯认为，目前来看，解决方案进展比较快的硫化物路线，率先量产的可行性较大。但他也承认，目前我们所研究的路线中，没有一种电解质十全十美，比如聚合物电解质的离子电导率和氧化稳定性都较差，氧化物电解质太坚硬，会导致刚性界面接触问题。硫化物电解质容易与空气中的水产生有毒气体，制备工艺复杂且成本较高。当然在各国科学家的努力下，各个路线都有一些针对性的技术出来。全固态电池需要解决四大层面问题今年1月，欧阳明高院士表示，全固态电池市占份额替代1%，就已具有突破性意义。“我们也一直在向着这个方向努力。我们认为要实现这个目标，要率先解决四大问题。”吴凯说。第一是固-固界面的问题。正极材料与电解质之间固固界面接触不充分，阻碍离子传输；负极在充放电过程体积膨胀大，导致固-固界面的动态损伤，难以修复，持续恶化固-固界面。这些都严重影响全固态电池的循环寿命和倍率性能。第二是锂金属负极的应用问题，使用锂金属负极可以使全固态电池能量密度高的优势充分发挥。但是锂金属的高活性和其表面钝化层的锂离子扩散能垒较高，会促进锂枝晶的形成，枝晶会引发短路并造成电池失效，我们需要充分了解固态枝晶形成与生长的机理，并加以克服。第三是针对最有希望的硫化物电解质路线，硫化物电解质在空气中不稳定的主要原因是容易发生化学反应, 电解质在空气中水分子的作用下会发生水解生成有毒的H2S气体,在水解的过程中电解质结构还会发生坍塌, 离子电导率急剧下降。另外硫化物电解质的合成成本问题，其原材料硫化锂价格高，而制备这些原材料的特殊工艺也增加了成本负担。这些都将是全固态电池推广中的障碍。第四是全固态电池的生产难题，极片制造工艺不成熟，湿法工艺的核心是粘接剂与溶剂选取，如果溶剂与电解质化学不兼容，可能降低电解质的离子电导率。干法工艺存在膜片分散性、均匀性挑战。在电芯致密化成型过程中，电芯内部存在孔隙缺陷，致密度低会降低固态电池性能发挥，极片边缘受压导致搭接短路等问题也需要解决。宁德时代已经建立10Ah级全固态电池验证平台，3年后真正量产据吴凯介绍，宁德时代针对固态电池已经有十余年的研发积累，目前我们组建了一支近千人的全固态电池研发团队，也取得了一些进展和经验。针对正极的界面问题，宁德时代研发了单晶正极多层级全包覆技术，第一层无机氧化物包覆层可以抑制界面副反应，第二层固体电解质包覆层，提升界面离子扩散。多层设计可以大幅提升界面结构稳定性，目前高面容三元正极克容量可达230mAh/g。我们还研发了多功能复合粘结剂，帮助稳定极片导电网络。复合正极可以实现6000次循环。针对锂金属负极使用时候的锂枝晶问题，宁德时代认为相变自填充技术是可行方案，相变介质可通过改变其固/液物理状态灵活修复固态电解质缺陷，达到增强电解质结构，抑制锂枝晶的效果，锂金属临界电流密度有效提升至20mA/cm2。我们通过引入合金金属改变界面层的亲锂性，可以诱导锂金属均匀沉积到表面。同时优化锂金属负极的多相导锂界面，构筑界面离子传输“高速公路”，使锂金属负极循环平均库伦效率>99.9%。针对硫化物电解质的环境稳定性问题，宁德时代开发表面疏水层可逆包覆技术，实现高空气稳定性电解质的制备，包覆后电解质可在-40℃露点环境稳定，包覆层还可以在电池制备过程中除掉，并且几乎不影响电解质材料的性能。同时我们也在开发新型合成路线和低含锂量材料，目前电解质的价格，1公斤都在5万以上，新的合成方案可以降低量产成本。针对制造工艺的难点，宁德时代打通了干/湿法极片制备和电芯一体化成型工艺方案，创新了高柔性核壳结构粘结剂、纤维化过程量化控制技术、超薄电解质转印技术、等静压一体成型技术等，已经建立10Ah级全固态电池验证平台。“全固态电池的研发和量产是一项非常艰巨的工作，我们为此也是集聚了各方力量，广泛的与产业链上的各方、高校等开展联合攻关。从全固态电池的技术成熟度和制造成熟度来看，有望在未来3年逐步进入成熟期，真正开启量产化进程。”吴凯说。0到1的原创性创新最后谈到对全固态电池的思考时，吴凯表示，全固态电池是新质生产力的典型代表。首先，具有革命性突破的技术创新是新质生产力的内在动力，全固态电池的研发不是1到2、2到3的渐进性创新，而是0到1的原创性创新，原创性创新往往拥有很高的势能，能够开辟出新的赛道，并对产业全局产生关键影响。其次，生产要素创新性配置是催生新质生产力的重要保障，全固态电池的研发和制造用传统的研发试错方法或者企业的封闭式的单打独斗是行不通的，我们需要大量运用人工智能、大数据等手段，更广泛地开展多种资源的协调、多条线路的协同和众多团队的合作，将各类优质生产要素能够以更高的效率流向关键核心技术领域，这样才能够进一步加快科技创新效率。最后，现代化产业体系是新质生产力要素的产业载体。全固态电池为代表的新能源产业链，我们认为应该具备低碳、高效、高质量、高附加值、强标准、自主可控、可持续等特征，将牢牢占据市场领先地位，成为汽车强国、制造强国、质量强国的重要支撑。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428909.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428909.htm

研究人员巧妙的调整使固态电池的充电速度提高一倍

研究人员巧妙的调整使固态电池的充电速度提高一倍ORNL的研究人员开发了一种新的压制方法，如右图蓝圈所示，与传统加工的材料相比，它能产生更均匀的固体电解质，如左图灰圈所示。这种材料可以被整合到电池系统中，中间的位置，以提高稳定性和速率性能。资料来源：AndySproles/ORNL,U.S.Dept.ofEnergy这些电池使用固体电解质而不是潜在的易燃液体。当电池充电或运行时，离子通过电极之间的电解质在电极之间移动。一种压制固体电解质的新方法实际上消除了阻碍离子流动的微小气穴，因此电池的充电速度提高了一倍。ORNL的首席研究员MarmDixit说，这种方法涉及在将电解质摊开后加热压力机，然后让电解质在压力下冷却。由此产生的材料的导电性能几乎提高了1000倍。Dixit说："这是同样的材料，只是改变了制造它的方式，同时在许多方面改善了电池的性能。"这些结果证明了在工业规模上处理固体电解质的途径，同时为更可靠的电池提供了对其内部结构的前所未有的控制。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368503.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368503.htm