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近日,日本丰桥技术科学大学(Toyohashi University of Technology)在其官网发布了一篇文章。
宣称自家电气与电子信息工程系主任带领科研小组,通过液相法(常见的结晶工艺)制取了一种由碳纳米纤维(CNF)静电吸附硫活性材料组成的复合材料:CNF-S(硫)。再将这种CNF-S作为阴极,采用电化学性能稳定的硫化物Li2S-P2S5-LiI作为固体电解质,最终制成了一种硫化物固态电池。
文章描述这种硫化物全固态电池的稳定性、容量、循环寿命均优于三元锂电池,而且制备方法成本低廉,工艺简单,适合批量生产。投入实际使用后,将使电动汽车、家用电器(手机、笔记本等)、商用大型储能设备装备的电池能量密度成指数增长。
文末给出了这种硫碳复合材料(CNF-S)的制取示意图、微米级电镜照片及电池循环特性图,如下:
左下角的电池构造图翻译:
Anode(阳极:锂),Cathode(阴极:硫碳复合材料)。solid electrolyte(固态电解质:Li2S-P2S5-LiI),composite(复合物)。竖排英文:current collector(集电/导电体)。
这里介绍一下背景信息,第一阻碍固态电池量产的最重要原因是成本,制造固态电池的新型负极材料、固态电解质太贵了。
第二固态电解质电池之所以叫固态,主要是为了区别于当前主流三元锂电池采用的液态电解质;两者实际原理相同,都是靠锂离子在正负极之间的运动进行充放电,可以统称为锂离子电池,2019年诺贝尔化学奖就颁给了3名研发锂离子电池的科学家,其中一位就是日本教授吉野彰。
N野彰
日本作为最先开发应用锂电池的国家,其在锂电池领域有着极为深厚的科研实力,技术领先全球,获得诺贝尔奖理所应当。但当我国对新能源汽车产业进行扶持后,诞生了多家有国际影响力的锂电池企业,抢占了日本锂电池的市场份额,并且还在不断扩大。
这种情况下,日本政府、学术界、产业界自然不能坐视不理,眼睁睁看着中国、韩国企业抢夺自己的霸主地位。于是日本政府牵头集合23家头部产业界企业和15家学术界研究机构,2018年开启了一个名为《先进和创新的蓄电池材料评估技术开发》项目的第二阶段;第二阶段目标是在2022年之内研发出可商业化的全固态锂电池,并早日应用于电动汽车。
等堶p划
这个锂电池研发项目可谓世纪天团,产业界包括了丰田、日产、本田、松下、GS Yuasa、日立、富士、三菱……还有2019年诺贝尔化学奖得主吉野彰领衔的旭化成株式会社。
学术界包括了多家国家研究所,以及京都大学(QS日本第2、世界第35)、东京工业大学(QS日本第3)、大阪大学(QS日本第4)……当然其中还包括了本文主角。没错,我们的主角丰桥技术科学大学,终于出现了。
T态电池攻关天团
数百字的介绍,只为了引出丰桥技术科学大学,不然这所只是在日本算重点大学的丰桥技术大学,国内谁知道啊。在国际上名不见经传的无名小卒,如今突然放了个冲天炮,拿出了低成本量产全固态电池的制备方法,怎么也得加一个背景说明。
虽然还是令人有些怀疑,但考虑到该大学身处一个强大天团组成的攻关项目之中;万一走了个狗屎运,被分配了一个别人瞧不上,但实际上正确的研发方向,所以率先取得突破也说不准。
论证了该型固态电池有真实存在的可能性,现在来分析一下这个硫化物全固态电池的性能,如果真如丰桥技术科学大学文中所述,这种全固态电池的量产将带给我们什么?
其公布内容中,电池循环特性图包含的信息最多,如图所示(已翻译):
我们可以从上图得知,电池在充放循环二十来次后,比容量(能量密度)保持不变,依然在1600mAh/g上下。1600这个数字有多夸张?对比一下当前主流正极材料NCM三元锂电池的比容量就知道了
811NCM三元锂电池的理论计算比容量也只有300mAh/g,跟1600mAh/g相比,差了不止5倍。
以特斯拉装备的3.4Ah松下NCR18650B单体电芯参数为基准,其公示的NCR三元锂电池计算比容量约为250Ah/kg,单体圆柱电芯重46克。由此可知实际单体电芯比容量约为74Ah/kg,与计算比容量250Ah/kg差了3.4倍。
我们若将新型固态电池的比容量看作计算比容量,接着比对松下NCR电池,将1600mAh/g除以3.4倍,就可得出大致的单体电芯比容量为470mAh/g。也就是说将新型固态电池卷成松下NCR 18650B等重的单体圆柱,一颗电芯就有21.6Ah。
2017款特斯拉Model X 100D装了八千多颗松下NCR18650B规格电芯,公示动力电池模块能量100kW/h,EPA综合续航523公里。若换成重量相同的新型固态电池,那电池能量就是635kW/h,理论上续航能上三千公里。
当然这个数字只是推算,并不准确,不准确,不准确,仅供大家理解固态电池相较液态在能量上的巨大优势。若实际运用,还需要考虑许多因素,无法做到这样大的续航。
再说将它应用于手机,目前主流锂离子聚合物电芯比容量在120mAh·g。如果换上固态电池,那么同等重量下,手机电量将飙升。平常5000mAh就算超长续航的手机,换成固态电池后20000mAh只是开始,甚至三四万毫安也不是做不到。到那时,手机一次充电用一周将成为现实。
这种新型固态电池确实拥有非常美好的应用前景,除了指数增长的能量,还有更稳定的电化学特性,意味着更高的安全性。
但从其公布的循环特性图看,其放电效率并不尽如人意,只维持在93%左右,这个数据跟当下主流液态锂电池的90%相近,远不及大家对固态电池充放电效率的期望。更比不三星固态电池上千次充放电循环,依然保持99.8%充放电效率的性能,而且三星的这款固态电池,比容量高达2000mAh/g。
T星固态
伬P丰桥技术科学大学固态电池性能不理想的原因,恐怕正是其使用低成本简单工艺制取的CNF-S(硫化物)阴极。只是硫化物阴极,其实并未解决固态电池中普遍存在的固固接口接触不良、阻抗高、充放电效率不高等难题。
而且这款固态电池的特性图,只给出了二十几个充放电循环内电池比容量和充放电效率的变化曲线。只短短的二十几次循环中,数据下降幅度就不小了,万一充放电上百次,甚至上千次之后,寿命、能量断崖式下跌怎么办?
所以,你相信丰桥技术科学大学的低成本量产固态电池吗?欢迎留言讨论……
注:本文专业内容较多,如有错漏,还请见谅。
注2:固态电池做到标题描述的场景只是时间问题,但却不一定是丰桥技术科学大学这款。
心得/说明:(30字以上)
大家好,
小弟超粪文组,
大家一起来,进入电车时代,油车吃屎,
大家说,好不好!!!!!!!!!!
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