Katı hal pillerinin kapsamlı analizi - tek yol: 2020 yarı sağlam 2025 tamamen katı
2. sınıflandırma: Sıvı / jel hali sadece sıvı elektrolit içerir, yarı katı sıvı elektrolitin kütle yüzdesi < % 10, yarı katı / Neredeyse katı sıvı elektrolitin kütle yüzdesi < % 5, AllSolid sıvı elektrolit içermez.
3. Elektrolit: Yarı katı piller, polimer kompozit elektrolitlere dayanacak, ince film katı hal piller, oksit kompozit elektrolitlere dayalı olacak ve tüm katı hal piller, sülfür kompozit elektrolitlere dayalı olacaktır.
4. Sanayileşme: 2020'den önce 300Wh / Kg'ye ulaşmak için yüksek nikel katot + yarı katı elektrolit + silikon karbon anot kullanın, 2025'ten önce 400 Wh / Kg, 2030'dan önce yakıt / lityum elde etmek için lityum bakımından zengin katot + tamamen katı elektrolit + silikon karbon / lityum metal anot pil kullanın Sülfür / hava pili 500 Wh / Kg'a ulaşır
Pil geliştirmenin tek yolu
1. Dokuz avantaj: çifte güvenlik performansı
Katı hal bataryası, katı pozitif ve negatif elektrotlar ve katı elektrolitler kullanan, herhangi bir sıvı içermeyen ve tüm malzemeler katı malzemelerden oluşan bir bataryadır.
Sıvı elektrolit lityum iyon pillerde 7 Büyük kısa tahta
Geleneksel lityum iyon pillerle karşılaştırıldığında, katı hal piller hem güvenlik hem de performans iyileştirmeleri elde etti
1) Şu anda en yüksek güvenlik
2) Yüksek enerji yoğunluğu
Biri voltaj platformunun iyileştirilmesidir, negatif metal lityum, pozitif elektrot yüksek potansiyel malzeme, elektrokimyasal pencere 5V'un üzerindedir.
İkincisi, pilin ağırlığını azaltmaktır.Elektrot aralığı mikron seviyesine kadar kısaltılabilir.İç seri bağlantıdan sonra, pil kabuğu ve soğutma sistemi modülü basitleştirilir ve sistem enerji yoğunluğu iyileştirilir.
Üçüncüsü, malzeme sistemleri yelpazesi büyük ölçüde geliştirildi.Lityum-sülfür piller için polisülfitlerin göçünü önleyebilir ve lityum-hava pilleri için oksijenin lityum metal negatif elektrotları tüketmek için negatif elektrot tarafına geçmesini önleyebilir.
Mevcut pozitif ve negatif elektrot sistemi değiştirilmezse, sıvı elektrolitin katı bir elektrolit ile değiştirilmesinin enerji yoğunluğunu temelde artırmayacağından bahsetmek gerekir.
3) Uzun çevrim ömrü
4) Geniş çalışma sıcaklığı aralığı
5) Esnek film
6) Geri dönüşümü kolay
7) Hızlı şarj
Sıvı lityum piller hızlı bir şekilde aşırı şarj edildiklerinde "dendritler" üretecek ve pilin kısa devre yapmasına ve yangına ve patlamaya neden olmasına neden olacaktır.Teoride, katı hal lityum piller bu tehlikeyi önleyebilir.
8) Çok fonksiyonlu paket
9) Üretim verimliliğini artırın
2. Pil geliştirmenin tek yolu
"Made in China 2025" tarafından belirlenen teknik hedeflere göre lityum pillerin enerji yoğunluğu 2020'de 300 Wh / kg, 2025'te 400 Wh / kg ve 2030'da 500 Wh / kg'a ulaşacak.
Yüksek nikel üçlü + silikon karbon anot malzemesine dayanarak, mevcut lityum pil sisteminin enerji yoğunluğunun 300 Wh / kg'ı aşması zordur.
Güvenlik ve enerji yoğunluğunun avantajları göz önüne alındığında, katı hal piller gelecekte lityum pillerin geliştirilmesinin tek yolu haline geldi.
Yüksek nikel katot + yarı katı elektrolit + silikon karbon anotunun 2020 yılına kadar 300Wh / Kg'ye, lityum açısından zengin katot + tamamen katı elektrolit + silikon karbon / lityum metal anot pilinin 2025 yılına kadar 400Wh / Kg'ye ulaşacağına ve yakıt / Lityum sülfür / hava pilleri 500 Wh / Kg'a ulaşır ve nükleer füzyon pilleri insan toplumu için nihai enerji kaynağıdır.
Yapısal tasarımdaki farklılığa göre, tüm katı hal lityum piller ince film tipi ve büyük kapasiteli tip olarak ayrılabilir.
Teknik rota: yarı katı yarı katı tümü katı
4. Teknik Prensip
Geleneksel sıvı lityum pil canlı bir şekilde "sallanan sandalye pili" olarak adlandırılır. Sallanan sandalyenin iki ucu pilin pozitif ve negatif kutuplarıdır ve ortası elektrolittir (sıvı). Lityum iyonu, sallanan sandalyenin her iki ucunda ileri geri koşan, lityum iyonunun pozitif elektrottan negatif elektroda pozitif elektrota hareketi sırasında pilin şarj ve deşarj işlemini tamamlayan mükemmel bir atlet gibidir.
Katı hal pilinin ilkesi, elektrolitinin katı olması, bir uçta daha fazla yüklü iyonun toplanmasına, daha büyük bir akım iletmesine ve ardından pil kapasitesini artırmasına izin veren bir yapıya sahip olması dışında aynıdır.
5. Elektrolit
Elektrolit malzeme, tamamen katı hal lityum pil teknolojisinin özüdür.Elektrolit malzeme, güç yoğunluğu, döngü kararlılığı, güvenlik performansı, yüksek ve düşük sıcaklık performansı ve hizmet ömrü gibi katı hal lityum pilin performans parametrelerini büyük ölçüde belirler ve aşağıdaki gereksinimleri karşılamalıdır :
Oda sıcaklığı iletkenliği > 10 ^ (- 4) S / cm
Elektronik yalıtım (Li + migrasyon sayısı yaklaşık 1'dir)
Elektrokimyasal pencere genişliği ( > 5.5Vvs.Li/Li+)
Elektrot malzemeleriyle iyi uyumluluk
İyi termal kararlılık, nemli ortama direnç, mükemmel mekanik özellikler
Hammadde elde edilmesi kolay, düşük maliyet, basit sentez yöntemi
Şu anda, katı elektrolitler üzerine yapılan araştırmalar esas olarak üç tür malzemeye odaklanmaktadır: Polimerler, oksitler ve sülfitler.
6. Polimer, iyi bir yüksek sıcaklık performansına sahiptir ve ticarileştirmeyi gerçekleştiren ilk kişidir
Polimer katı elektrolit (SPE), bir polimer matristen (polyester, polimeraz, poliamin vb.) Ve bir lityum tuzundan (LiClO4, LiPF6, LiBF4 vb.) Oluşur. Lityum iyon, polimer içinde lityum tuzu şeklinde "çözülür" Matris ("katı çözücü"), iletim hızı esas olarak matris ile etkileşimden ve zincir segmentinin kabiliyetinden etkilenir.
Yüksek sıcaklık koşullarında polimer iyonu yüksek iyonik iletkenliğe sahiptir ve film oluşturması kolaydır.Küçük ölçekli ticari üretimi gerçekleştiren ilk iyondur.
Şu anda, seri üretilen katı polimer bataryadaki polimer elektrolitin malzeme sistemi polietilen oksittir (PEO) ve oda sıcaklığı iletkenliği genellikle 10 ^ (- 5) S / cm'dir.
PEO'nun oksidasyon potansiyeli 3,8V'dur.Lityum kobalt oksit, katmanlı oksit, spinel oksit vb. Gibi yüksek enerji yoğunluklu katotları eşleştirmek zordur ve değiştirilmesi gerekir; ikinci olarak, PEO bazlı elektrolitin çalışma sıcaklığı 60 85 , Batarya sistemi termal yönetime ihtiyaç duyar; yine, hız özelliklerinin iyileştirilmesi gerekir.
Şu anda, polimerler düşük oda sıcaklığı iletkenliğine ve düşük voltaja sahiptir ve büyük ölçekli endüstriyel gelişimlerinin hala sınırlamaları vardır.
7. İnce film esnek yapısı için uygun, iyi oksit döngüsü performansı
Oksit katı elektrolitler, malzeme yapısına göre kristalli ve amorf olarak ayrılabilir.Kristalin elektrolitler arasında perovskit tipi, NASICON tipi (Na hızlı iyon iletkeni), granat tipi, LISICON tipi vb., Cam hali (amorf Oksitlerin araştırma sıcak noktaları, LiPON tipi elektrolitler ve ince film pillerde kullanılan kısmen kristalize amorf malzemelerdir.
Oksit kristalli katı elektrolit yüksek kimyasal stabiliteye sahiptir ve bazı numuneler 50 ° C'de çalışabilir. 45.000 döngüden sonra kapasite tutma oranı% 95'ten fazladır.
Oksitlerin düşük oda sıcaklığı iletkenliği ana engeldir Mevcut iyileştirme yöntemleri esas olarak element ikamesi ve heterovalent element katkısıdır.
LiPON, tüm katı hal ince film piller için standart elektrolit malzemesidir ve ticarileştirilmiştir.
8. Sülfür en yüksek iletkenliğe sahiptir ve gelecekteki ana yöndür
Sülfitler esas olarak tiyo-LISICON, LiGPS, LiSnPS, LiSiPS, Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-B2S3 vb. İçerir. Oda sıcaklığı iyon iletkenliği, organik elektrolite yakın veya hatta ondan daha fazla olan 10-3 ~ 10-2S / cm'ye ulaşabilir. Aynı zamanda, yüksek termal stabilite, iyi güvenlik performansı ve geniş elektrokimyasal stabilite penceresi (5V veya daha fazla) özelliklerine sahiptir ve yüksek güçlü ve yüksek ve düşük sıcaklıklı katı hal pillerde olağanüstü avantajlara sahiptir.
Oksitlerle karşılaştırıldığında sülfitler nispeten yumuşaktır ve işlenmesi daha kolaydır.Tüm katı hal lityum piller sıcak presleme ile hazırlanabilir, ancak havaya duyarlıdırlar, oksitlenmeleri kolaydır ve suya maruz kaldıklarında kolayca hidrojen sülfit gibi zararlı gazlar üretirler.
9. Elektrot malzemesi: katı-katı arayüz sorunu
Elektrolit sıvıdan katıya değiştirildikten sonra, lityum pil sistemi elektrot malzemesi-elektrolit katı-sıvı arayüzünden elektrot malzemesi-katı elektrolitin katı-katı arayüzüne değişir.Katı ile katı arasında ıslanabilirlik yoktur ve arayüz temas direnci iyonu ciddi şekilde etkiler İletim, tamamen katı hal lityum iyon pilin iç direncinde keskin bir artış, zayıf pil döngüsü performansı ve düşük hız performansı ile sonuçlanır.
Pozitif elektrot malzemesi genellikle elektrotta iyonların ve elektronların taşınmasında rol oynayan elektrot aktif malzemesine ek olarak katı elektrolit ve iletken ajan içeren bir kompozit elektrot kullanır.
Anot malzemeleri şu anda esas olarak üç kategoride yoğunlaşmıştır: lityum metal anot malzemeleri, karbon grubu anot malzemeleri ve oksit anot malzemeleri Bunlar arasında lityum metal anot malzemeleri, yüksek kapasiteleri ve düşük potansiyelleri nedeniyle tüm katı hal lityum piller için en önemli anot malzemelerinden biri haline gelmiştir. .
10. İşlem yolu: mevcut pil süreci iyileştirmesine göre
Sıvı pillerle karşılaştırıldığında, daha gelişmiş performansa sahip katı hal piller, pozitif elektrot, negatif elektrot ve katı elektrolit gibi çekirdek bileşenleri ile daha basit bir yapıya sahiptir.
Üretim maliyetine gelince, şu anda üçlü piller ve lityum demir fosfat gibi ana pilleri çok aşıyor, ancak sanayileşme süreciyle birlikte basit yapının doğal avantajı kaçınılmaz olarak üretim maliyetini mevcut ana pillerden daha düşük hale getirecek.
11. Teknik rota: yarı katı yarı katı tümü katı
Katı hal lityum piller ile ilgili mevcut kavramlar çözüldü ve özetlendi.
Sıvı / jel halli lityum pil: Pil hücresi, üretim sürecinde katı elektrolit içermez, ancak yalnızca sıvı / jel elektrolit içerir.
Halfsolid lityum pil: hücre elektrolitindeki sıvı elektrolitin kütle yüzdesi < % 10.
Yarı katı / Neredeyse katı lityum pil: sıvı elektrolitin kütle yüzdesi < % 5, sıvı elektrolitin kütlesi veya hacmi katı elektrolit oranından daha azdır.
AllSolid lityum pil: Pil çekirdeği katı elektrot ve katı elektrolit malzemeden oluşur ve herhangi bir sıvı elektrolit içermez.
Özetle, farklı elektrolitlere göre, lityum piller dört kategoriye ayrılabilir: sıvı, yarı katı, yarı katı ve tamamen katı Son üçüne toplu olarak katı hal piller denilebilir.
12. Özetle, yarı katı hal pillerin gelecekteki geliştirme yönünün polimer kompozit elektrolitlere, ince film katı hal pillerin oksit kompozit elektrolitlere dayanacağına ve tamamen katı hal pillerin sülfür kompozit elektrolitlere dayalı olacağına inanıyoruz.
13. Patent: Japon patentleri üst, Çin SCI İlk makale
2017'de, katı hal lityum pillerle ilgili 1.198 belge ve 117 patent vardı; bunlardan 1.096 belge, lityum metal negatif elektrotlar, katı elektrolitler ve katı elektrolit ile pozitif ve negatif elektrotlar arasındaki arayüz gibi temel konulara odaklandı.
Katı lityum piller açısından Çin yayınlanan makale sayısında ilk sırada yer alırken, Japonya uluslararası buluş patentlerinin yarısından fazlasını oluştururken Toyota 26 makale ile ilk sırada yer aldı.
Toyota'nın patenti, pilin enerji yoğunluğunu, iletkenliğini, çevrim ömrünü, güvenlik performansını ve diğer performansını iyileştirmek için sülfür sistemi katı elektrolitlerinin çalışmasına odaklanmaktadır.
Sanayileşme: 2020 Yarı katı 2025 katı hal
14. Katı hal pili: 50 Yılların tarihi, 50 Birden çok Ar-Ge ekibi
Şu anda, dünyanın dört bir yanında katı hal pil teknolojisine adanmış 50'den fazla üretim şirketi, başlangıç şirketi ve üniversitelerin bilimsel araştırma enstitüsü bulunmaktadır.
15. Üç Büyük: Bollore, Fransa , Amerikan Sakit3 Toyota
Bollore, Fransa
Katı hal pilli elektrikli araçları ticarileştiren dünyanın ilk şirketi polimer katı elektrolitler alanında lider.
Ekim 2011 gibi erken bir tarihte, Bolloré, Paris ve banliyölerinde araç paylaşım hizmeti "Autolib" sağlamak için kendi geliştirdiği elektrikli araç "Bluecar" ve elektrikli otobüs "Bluebus" kullanmaya başladı ve geçtiğimiz birkaç yıl içinde 30kWh ile donatılmış toplam 3000 araç yatırdı. BatScap tarafından üretilen katı hal pil.
Katot malzemesi LFP ve LixV2O8 kullanır, anot malzemesi metal lityum kullanır ve elektrolit polimer (PEO vb.) Film kullanır, ancak enerji yoğunluğu yalnızca 100 Wh / kg'dır ve çalışma sıcaklığı 60 ~ 80 gerektirir ve elektrikli araç bataryası sürekli olarak ısıtılmalıdır Pilin iç iletkenliğini korumak için 60 ° C'nin üzerinde.
Dyson + Amerikan Sakit3 Amerikan Sakti3 Katı oksit pillerde dünya lideridir
Michigan Üniversitesi'nde mühendislik profesörü olan Mary Sethtree, 2008 yılında Sakti3'ü kurdu. Sethhtree kendini 20 yıldır pil teknolojisi araştırmalarına adamıştır ve 70'den fazla patente sahiptir.
Ekim 2015'te, ürünlerinde kullanılan şarj edilebilir lityum iyon pilin yetersiz pil ömrü ve sınırlı güvenlik sorununu çözmek için elektrikli süpürge mucidi Dyson tarafından 90 milyon ABD Doları bedelle satın alındı.
Sakti3'ün şu anda sahip olduğu en büyük sorun, ince film tabakasını katman katman istiflemek olan ince film çökeltme işlemi kullanan üretim teknolojisidir. Bu, maliyetinin yüksek kalmasına neden olur ve gelecekte maliyetleri düşürme olasılığı çok büyük değildir.
Japonya 38 Tüm katı hal lityum pillerin çeşitli kurumlar tarafından ortak araştırma ve geliştirme çalışması, Toyota liderdir
Nisan 2018'de, Japonya Ekonomi, Ticaret ve Sanayi Bakanlığı ve Japonya'nın Yeni Enerji Endüstrisi Teknoloji Geliştirme Ajansı (NEDO), yeni nesil yüksek verimli pillerin "tamamı katı piller" temel teknolojisinin geliştirilmesinin başladığını duyurdu. Projenin toplam yatırımı 10 milyar yen (yaklaşık 580 milyon yuan) olması bekleniyor.Toyota, Honda, Nissan ve Panasonic gibi 23 otomobil, pil ve malzeme şirketi ile Kyoto Üniversitesi ve Japon Fizik ve Kimya Enstitüsü gibi 15 akademik kurum ortaklaşa olacak Araştırmaya katılın ve 2022'ye kadar tamamen katı hal pillerin ilgili teknolojilerini tam olarak kavramayı planlayın.
Toyota şu anda sülfür katı hal pillerinde lider
Toyota, 2010 yılında sülfür katı hal pillerini piyasaya sürdü. 2014 yılında Toyota'nın deneysel prototip katı hal pillerinin enerji yoğunluğunun 400 Wh / kg'a ulaştığı bildirildi.
Şubat 2017'de Toyota'nın katı hal pil patentleri, diğer şirketleri aşarak 30'a ulaştı.
Ekim 2017'de Toyota, katı hal pil teknolojisinin gelişimini hızlandırmak için 200'den fazla kişiye yatırım yapacağını duyurdu. Aynı yılın Aralık ayında, Toyota ve Panasonic, tamamen katı hal pilleri birlikte geliştireceklerini duyurdu.
16. Yerli Beş Küçük Ejderha: CATL , Jiangsu Qingtao, Jiawei Co., Ltd., Ganfeng Lithium Industry, Beijing Weilan
CATL
CATL, ana araştırma ve geliştirme yönü olarak sülfür elektroliti alır.Pozitif elektrot malzemesi ile katı elektrolit arasındaki arayüz reaksiyonu sorununu çözmek için pozitif elektrot kaplaması kullanır.Elektrolit ile elektrot malzemesi arasındaki teması artırmak ve arayüz direncini azaltmak için sıcak presleme kullanır. Termal kararlılığını artırmak için modifiye edildi.
325 mAh kapasiteli ve 300 Wh / kg enerji yoğunluğuna sahip mevcut polimer lityum metal katı hal pil, 300 döngüde kalan% 82'ye sahiptir.
Qing Tao
Qingtao Development, Tsinghua Üniversitesi Nan Cewen Akademisyeni ekibi tarafından yatırıldı ve kuruldu. 2002 yılında katı hal lityum piller geliştirmeye başladı; 2006 yılında geliştirilen LLTO katı elektrolit malzemesi mükemmel performans gösterdi; 2010 yılında geliştirilen granat yapısı LLZO katı elektrolit malzemesi olgunlaştı. .
Mayıs 2018'de, seri olarak üretilecek Qingtao katı hal pilinin yüksek güvenlik test videosu https://v.qq.com/page/q/m/9/q0716iadum9.html görüntülendi.
Jiawei hisseleri
Guojia Interstellar, Jiawei'nin bir yan kuruluşudur.Teknoloji yolu, ikinci nesil polimer lityum iyon iletkenlerini katı elektrolitler olarak, üçlü malzemeler veya lityum demir fosfatı pozitif elektrotlar olarak ve grafiti negatif elektrotlar olarak kullanmaktır.
Temmuz 2018'de 36Ah katı hal yumuşak paketlenmiş üçlü malzeme gücü lityum iyon pil, Ulusal Motorlu Taşıt Kalite Denetim ve İnceleme Merkezi'nin zorunlu denetimini geçti.Enerji yoğunluğu 230WH / kg'a, döngü sayısı 4000'e ulaştı ve 72v sistemi elektrikli motosikletlerde kullanılabilir. , Fiyat yaklaşık 1.5 yuan / wh'dir.
Ganfeng Lityum + Malzeme Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
18 Ağustos 2017'de Ganfeng Lithium, Çin Bilimler Akademisi'nden Dr. Xu Xiaoxiong (Bilim ve Teknoloji Bakanlığı'nın yeni enerji tamamen katı hal lityum iyon enerji depolama bataryası başkanı) dahil olmak üzere bir grup teknik ekibi tanıttı.
5 Aralık 2017'de Ganfeng Lithium (002460), kendi fonları 250 milyon yuan'ı geçmeyen, yıllık 100 milyon watt-saatlik çıktıya sahip birinci nesil katı hal ürününe yatırım yapmak ve inşa etmek için tamamen sahip olunan bir yan kuruluş olan Zhejiang Fengli'yi kuracağını duyurdu. Lityum pil Ar-Ge pilot üretim hattı, proje yapım süresi 2 yıldır.
30 Haziran 2018'de, birinci nesil katı hal lityum pilin teknik göstergelerine ulaştı: 10Ah'lik tek bir kapasite, 240Wh / kg'dan az olmayan bir enerji yoğunluğu, 1000 döngüden sonra% 90'ın üzerinde bir kapasite tutma oranı ve 5C şarj oranına sahip bir pil hücresi Deşarj kapasitesi ve pil geliştirme ürünleri, üçüncü taraf kuruluşların güvenlik denetiminden geçmiştir.
Beijing Weilan + Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü
Ağustos 2016'da, Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü'ne dayanarak, yeni nesil katı hal lityum pillerin geliştirilmesi ve üretilmesine odaklanan Beijing Weilan New Energy kuruldu.
Şu anda Beijing Weilan, metal lityum yüzey işleme, yerinde SEI film teknolojisi oluşumu, katı elektrolit, lityum iyon hızlı iletken hazırlama teknolojisi ve yüksek voltajlı pil entegrasyon teknolojisi dahil olmak üzere katı hal pil teknolojisi alanında birçok önemli teknolojiyi geliştirmiş ve bunlarda uzmanlaşmıştır. Seramik membran optimizasyon teknolojisi ve mevcut toplayıcı çözümleri.
17. Sanayileşme: 2020 2025'e kadar yarı katı duruma ulaşın Tüm katı hal
Katı hal pillerin ticarileştirme koşulları aşağıdaki gibidir:
1) Katot malzemelerinin LFP, NCM, lityum açısından zengin vb. Sanayileşmesi
2) Anot malzemesi silikon karbon ve lityum metalin sanayileşmesi
3) Olgun katı elektrolit polimer, sülfür ve oksit
4) Arayüz problem çözme
