固态电池加速电动汽车发展 助力电网存储
汽车前沿
日期:2021-11-12 17:19

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Italian automaker Automobili Estrema is developing the Fulminea, which will feature four electric motors with a total peak power of 1.5 megawatts (2,040 horsepower).  AUTOMOBILI ESTREMA

固态电池有望比传统电池更安全、寿命更长。现在,一些公司建议,他们可能在未来五年内将固态电池商业化,用于电力“超级跑车”和电网。


传统电池通过阳极和阴极两个电极之间的化学反应供电,这两个电极通常通过液体或凝胶电解质相互作用。而固态电池则是采用陶瓷等固体电解质。


对于相同的重量或空间,固态电池可以提供比传统电池更多的能量。位于布鲁塞尔的Avesta Battery and Energy Engineering(ABEE)公司的首席执行官兼创始人Noshin Omar表示:“固态电池将对电动汽车产生巨大的好处,在电动汽车中,电池续航里程是一个非常关键的参数。固态电池也比传统的锂离子电池安全得多,后者使用的是易燃和易挥发的有机液体电解质。”


现在,ABEE正在帮助开发一款街头合法电动“hypercar”,名为Fulminea,预计将于2023年下半年上市。它将采用混合电池组,将ABEE的固态电池与超级电容器相结合。


Omar说:“目前,我们的固态电池的能量密度约为每千克400瓦时,约为市场上商用锂离子电池典型能量密度的两倍。到2025年,我们的目标是实现每千克450瓦时的能源密度。”


意大利汽车制造商Automobili Estrema正在开发Fulminea,它将配备四个峰值功率为1.5兆瓦(2040马力)的电动机,使汽车在10秒内可从0加速到320公里/小时(200英里/小时)。它的100千瓦时电池组将使它的预期里程达到520公里(323英里)。


ABEE提供的电池使用金属锂阳极、富镍阴极和硫化物电解液,而电池专家Imecar Elektronik将帮助包装电池。电池组的预计重量低于300千克,Fulminea的预计总整备重量为1500千克。


Omar表示:“我们现在的目标是实现技术的可扩展性,优化生产流程、电池寿命和充电速率。”


此外,圣地亚哥加利福尼亚大学的科学家与电子巨头LG合作开发了一种新的硅全固态电池,最初的测试表明它是安全、持久和能量密集的。


“以目前的趋势来看,我们的目标是在2025年生产第一个商业相关产品,并在2030年实现的广泛市场渗透,”圣地亚哥加利福尼亚大学的研究人员Zheng Chen如此表示。


高能量密度的固态电池通常依靠金属锂作为阳极。但是,这些部件限制了电池的充电速率,并且在充电过程中需要温暖的温度,通常为60摄氏度或更高。硅阳极可以克服这些限制,在室温到低温下可以实现更快的充电速率,同时保持较高的能量密度。



“金属锂通常被视为电池阳极的圣杯。硅的发现为采用金属锂的替代品开辟了广泛的可能性,”Chen说。“此外,硅是一种含量高、成本低且安全的材料。这是一种更环保的方法。”


几十年来,科学家和电池制造商一直在研究硅作为一种高能量材料,以混合或完全取代传统锂离子电池中的石墨阳极。理论上,硅提供的能量密度大约是石墨的10倍。


然而,以前尝试在锂离子电池的阳极中添加硅会遇到性能问题,具体来说,这种电池在保持性能的同时可以放电和充电的次数不足以满足商业用途。这主要是因为硅阳极在与它们配对的液体电解质相互作用时如何降解,以及硅颗粒在充电和放电时如何在尺寸上大大膨胀和收缩的问题。


新电池去除了液态电解液,改为使用固态硫化物电解液。这些电解质通常被认为是高度不稳定的,但这是由于对液体系统的研究没有考虑到固体版本中的稳定性。新的研究发现,这种电解液在全硅阳极电池中非常稳定。


“拟议的固态战略克服了传统液体系统的普遍挑战,”Chen说。


科学家们还清除了阳极上的所有碳和粘合剂。这大大减少了它们与固体电解质的接触和不必要的副反应,避免了液体电解质典型的持续能量损失。此外,他们使用了微米级的硅颗粒,这比这类工作中常用的纳米级硅颗粒便宜。


在测试中,实验室原型在室温下进行了500次充放电循环,容量保持率为80%。相比之下,以前对硅阳极的研究通常只获得大约100个稳定循环。新电池在空间上保证了高能量密度。因此,研究人员认为,这些设备最终可能会在网格存储应用中得到应用。


“硅基全固态电池解决了此类应用中与传统电池相关的成本和安全问题,”Chen说,“如果成功的话,每个家庭都将配备由这项创新提供动力的储能系统,以降低他们的公用事业费用,提供备用电源,并支持全球能源转型。”相比之下,电动汽车通常需要重量高能量密度的电池。不过,“我们并不排除汽车应用的可能性,”Chen说。


科学家们在9月24日出版的《科学》杂志上详细介绍了他们的发现。该大学和LG Energy Solution就这项工作联合提出了专利申请,该大学的研究人员已经启动了一家初创公司Unigrid Battery,并且该公司已被授权使用这项技术。


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