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三星固態電池產業化路徑

鉅大LARGE  |  點擊量:943次  |  2020年04月01日  

三月十日,多家媒體報道三星電子(注意,是三星電子,不是三星SDI,這部分會在后邊解釋原因)在《自然》雜志上發表了一篇有關全固態電池技術的論文。


該技術采用了沉積型鋰金屬負極技術,并解決了影響電池壽命與安全性的枝晶問題,可以使電池尺寸也減半。這里面的一個關鍵內容是固態代替電解質代替了液態,并且大幅減少了負極材料,隨著電解質的固態化安全性得到了提高。


鋰金屬負極一直都被枝晶問題所困擾,這部分三星采用了銀-碳(Ag-C)納米粒子復合層來解決。通過將復合層的厚度減小至5m,可以減小電池總體積,在相同體積下的能量密度自然也得到提升。


據報道說,該技術與傳統電池相比,在相同的體積和重量下,可以達到約800㎞續航。電池循環次數為1,000次,這部分或許應該更高一些,理想情況下最好可以保證10年以上的使用壽命。


Ag-C納米粒子復合層


所以說,三星全固態技術的核心是Ag-C納米粒子復合層。下圖中四個柱形圖解釋了固態電池開發的演進路徑。


左1是現有的鋰離子電池結構,粗略看來正負極大小接近1:1。首先是將隔膜和液態電解質(中間藍色細條部分)轉變成固態電解質,轉變后就可以稱之為全固態電池了。


然后是負極由石墨轉變為鋰金屬(左2)。當負極采用鋰金屬材料時,負極的體積就會大大減小,電池總體積也隨之減小,能量密度新增。電池中鋰離子含量代表電池容量的大小,而這取決于正極的大小。


因此在相同體積下正極尺寸增大,能量密度就新增了。但鋰金屬負極一直存在著枝晶問題,三星電子的新技術則用5m厚的Ag-C納米顆粒復合層將負極中鋰金屬材料替代掉了(右1/2)。


進一步看一下《自然》的那篇論文,首先是電解質的部分,采用的是硫化物固態電解質(SSE)。由于目前業界對該領域進行了較多研究,實現起來似乎并不困難。此外,由于SSE柔軟的機械性能,只需采用簡單的壓制法就可以批量生產。但據說這部分還有些問題待解決,因為在制造過程中會出現硫化氫有毒氣體。


鋰金屬負極在實際使用過程中會出現枝晶,導致體積膨脹并影響到循環壽命。因此三星選擇的方法是去除鋰金屬材質,論文中說是采用了僅使用集電體而無負極的概念。


因此就要一種替代原有負極功能的材料,而這個材料就是Ag-C納米顆粒復合層。根據論文中的描述,Ag可溶于鋰,可降低鋰的晶核能量,有助于將鋰均勻地沉積在集電體上。這部分有點難理解,但效果已經得到驗證。


該復合層中由于使用了銀,成本會有所新增,因此就要減小厚度,并采用碳納米粒子。但有傳聞說碳納米粒子的量產目前還未得到完全解決。


最近,有一些中小初創公司正在嘗試,并可以根據一些情況大概判斷可量產的時間。而且這些公司開發的材料大部分都是專門針對電池的正負極材料的。


比如,像JEIO這家公司計劃在未來2年內進行大規模生產投資,有望大幅降低單位價格。如此看來,似乎碳納米粒子相關的進展也在穩步推進,在未來2年將會取得一些成果。


三星電池從研發到量產的流程


在論文底部會發現,署名是SamsungAdvancedInstituteofTechnology(SAIT)、三星電子和三星日本的研發中心。


進入SAIT的官網首頁,馬上就會看到有關這次固態電池研究成果的信息。SAIT的中文名稱是“三星綜合技術院”。


研究范圍包括AI、電池材料、半導體、OLED顯示材料等等。


點擊電池材料部分進去,就會看到有關開發下一代動力鋰電池材料的內容。三星的材料研究所其實之前是三星電子和三星SDI共同建立的,但后來二者因業務側重點不同又分開了。因此,我們就了解了三星綜合研究院也在進行電池材料研究,并且官網上顯示最近的研究重點是包含固體電解質的3D結構。


其實三星電子的綜合技術研究院和三星SDI電子材料研究所幾乎位于同一地點,都在水原市。前面已經說到之前為同一家機構,之后分家。目前三星SDI材料研究所的角色就是,將三星技術學院開發的材料相關技術進行實際驗證測試,然后再由SDI的開發部門進行量產前的Pilot生產,最后在廠進行正式量產。


因此,這次宣布的全固態技術是由三星綜合技術研究院開發的,目前的進度還沒有到三星SDI的驗證測試階段。由此可以推測,在最為理想的情況下大概至少要2年時間才能實現最終量產。另外,如上所述,碳納米顆粒的量產部分也都要跟進,而目前來看進度還挺同步的。


不過,目前我想大多數人都是在翹首期盼著特斯拉下月的電池秀吧?


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