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丰田开发全固态锂电池称2025年可商业化

与其他许多车企一样,丰田也在锂空气电池上投入了大量研发精力。工程师追求更高的能量密度从而让电动车能够跑得更远。在2014锂电池国际会议(International Meeting on Lithium Batteries)上,丰田电池研究业务部的Hideki Iba博士与丰田欧洲先进技术小组的Chihiro Yada博士指出,若克服各项技术障碍,锂空气电池要到2030年才能真正商业化。

在开发锂空气电池技术的同时,丰田也在开发全固态电池,目前其实验中的原型产品可达到400瓦时/升的体积能量密度。两位专家对该类电池技术也作出了预测,在克服技术障碍的前提下,全固态电池可在2025年实现商业化,比锂空气电池早5年。

全固态电池具有能量密度大和额定功率高的特点,使它具有很大的发展潜力。经验证全固态电池放电率可达到50C。

相比传统锂电池,全固态电池除了体积能量密度较高之外,还具有以下优势:

1、封装效率更高。全固态电池设计可支持串行叠加排列(in-series stacking)和双极结构(bi-polar structure)。紧密的排列可减少电池组中无效空间(dead space)的体积。

2、更安全。全固态电池不会有电解液泄漏的隐患,并且它的不易燃物性和无机电解质使其热稳定性更强。

3、更长的使用寿命。

“全固态电池在先前一段时间面临的技术障碍是功率密度不够高。原因在于电池阴极和固态电解质之间的转移电阻过高”Yada和Brasse两位研究者如是说。因此,全固态电池开发过程中的主要任务就是提高它的功率密度。

研究者从以下3个方面对其功率密度进行改进:

1、开发能够更易传导锂离子的固态电解质。可以采用氧化物、硫化物、氮化物作为固态电解质材料。硫化物电解质可以提供更高的离子传导性,例如Li10GeP2S12化合物的离子传导率可达0.012西门子/厘米。

德国马普研究所(Max Planck Institute)研究者近期则开发出2种具有超高传导率的固态锂电解质,分别为Li10SnP2S12与Li11Si2PS12,它们均具有极强的锂离子扩散性。化合物中的硅元素使这两种化合物的锂传导率甚至超过了上述Li10GeP2S12化合物。

2、改善电解质与电极间的界面物质,降低转移电阻。Yada 和 Brasse指出:“固态电池中电解质与电极间界面电阻高的问题可通过设计来弥补,这在下一代电池设计中显得尤为重要。”

在2014锂电池国际会议的一篇独立论文中,Yada与他亥姆霍兹研究所(Helmholtz Institute Ulm)以及德国航空太空中心(German Aerospace Centre)的同事提出了一个固态电解质数字模型,希望基于该模型对活跃电子和电解质边界的空间电荷区域获得更多的了解。

3、提升活性材料中锂离子的传导性。在理想状态下,能量密度高的电池中电解质层很薄,电极层很厚,并且全都围绕在活性材料周围。为了满足下一代电池的技术要求,研究者必须改进电极活性材料的传导性。

Yada 和Brasse指出,虽然全固态锂电池的“历史”并不短,但行业内仍将认为它是一种全新的电池技术。然而,仍然有许多技术障碍待克服。通过分析调整电极与电解质界面层的纳米结构将成为全固态锂电池突破的关键点。

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