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固态电池:能否取代锂电池,突破电化学储能技术瓶颈?

已有 455 次阅读 2020-8-13 13:05 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记| 固态电池手册, 科学出版社, 向勇, 张晓琨, 张浩

固态电池:


全固态电池是目前行业公认有望突破电化学储能技术瓶颈,满足未来发展需求的新兴技术方向之一。相对目前广泛使用的基于液体电解质的锂离子电池,全固态电池有望实现更高的能量密度、功率密度、循环寿命以及安全可靠性。

 


随着人类迈入 21 世纪第三个十年,以 5G 通信为代表的新一代移动通信技术正在帮助我们加速构建一个万物互联、信息泛在、算法制胜的智能化社会,全球进入一个新的高速发展阶段。这对未来能源供给特别是先进储能技术提出了巨大挑战。据移动通信专家估计,5G 通信基站的能源消耗是 4G 的 9 倍,而 6G 通信基站则要求能源系统的寿命至少达到 20 年。另外,交通电气化是实现未来能源和环境可持续发展的重要途径,已经成为全球各国重点发展的领域,也推动了动力电池技术的快速发展。此外,能源清洁化和电网智能化进程正快速推进,对大规模、低成本储能提出了巨大需求。锂离子电池等电化学储能技术,在现代社会中扮演着日益重要的角色,但是在能量密度、功率密度、安全性以及经济性等方面进一步改进的空间越来越有限,难以满足未来各个领域快速增长的储能需求。

 

固态电池和基于液态或凝胶态电解质的锂离子电池相比,在安全性和热稳定性方面优势显著,且有潜力实现更高的能量密度和功率密度。因此,对于电动汽车、家庭储能、新能源电站储能、可移动设备电源等应用场景,固态电池均是理想的储能技术解决方案。

 

薄膜固态电池已在一些不要求电池具有很大容量的领域实现了成功的商业化应用。这些薄膜固态电池产品在实际应用工况下可稳定循环数万次,表现出优异的结构和化学稳定性。而且,全固态薄膜电池中可使用比能量很高的金属锂负极,电池在集成器件中的质量比能量极高。


《固态电池手册》(原著第二版)汇聚了全世界固态电池研究与开发领域多位资深专家的智慧,较为全面地介绍了全固态锂电池相关的工作原理机制、关键材料体系、先进研究手段等方面的前沿研究进展,以及固态化趋势下新型器件结构设计的发展趋势。此外,针对基于氟离子、银离子等新型电化学储能器件,也以器件固态化为切入点介绍了有关研究进展。在撰写过程中,邀请了众多固态电池领域的专家共同参与,覆盖了更为广泛的内容,重点总结了以下方面的最新进展:



高离子电导率的硫化物和氧化物固体电解质

面向薄膜电池的新型固体电解质及其制备工艺

基于同步辐射光源等的固态电池原位表征技术

固体电解质与电极间界面过程的表征与建模

基于电子显微技术的原位实时表征

固态电池与功能及结构部件的集成

基于第一性原理计算的固体电解质结构与性能预测

三维结构电芯设计

锂离子、氟离子和银离子的新型固态离子导体

聚合物电解质




目前,固态电池领域仍存在许多有待解决的科学和技术问题。例如,受限于表征技术,目前大多数工作均针对某一种材料研究其离子输运特性或电化学反应活性,但对于固体电解质与电极的界面过程或几种不同的固体电解质间的界面过程的研究和认识仍相对不足。此外,在固态电池中克服电解质与电极有效接触面积有限等问题,从而在电极层较厚、电流密度较大时仍能充分发挥活性材料的储能容量,还需在电芯设计上有新的思路。最为重要的一点是,研究者在开发新技术的过程中需时刻考虑在实际工业应用和规模化生产中的工艺可行性、经济可行性等。

 

虽然还没有一种商业化的固态电池产品,能够在广泛的市场中与传统锂离子电池真正展开竞争,但我们相信,随着相关技术的快速进步,固态电池这一拥有美好前景的技术终将取得成功。


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固态电池手册(原著第二版)

[美]南希·达德尼,[日]威廉·韦斯特,[美]贾格吉特·南达  著 

向勇,张晓琨,张浩  译

责任编辑:刘冉,李丽娇

北京:科学出版社,2020.7

ISBN:978-7-03-065075-7


本书主要介绍全固态电池基本原理以及关键材料开发、器件设计优化等方面的研究进展。第1部分介绍全固态体系中离子输运的基本原理,以及原位中子表征、同步辐射X射线原位表征、电子显微分析、核磁共振测试、模拟计算等先进研究手段在全固态电池工作机理研究方面取得的进展。第2部分围绕固体电解质材料的研究进展,探讨全固态电池中电荷传输与转移动力学、界面稳定性等问题。第3部分介绍三维微结构设计、结构化储能器件等全固态锂电池器件研究的新方向,并展望了全固态贮备型电池的发展潜力。


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