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电子科大高材生突破固态电池:能量密度5倍于刀片电池,3分钟充满

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2022-09-25 16:12北京

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邓思邈 发自 副驾寺
智能车参考 | 公众号 AI4Auto

哈佛大学华人教授搞了个新型固态电池,成果已发表在Nature杂志上——

充放电循环高达1万次,最快3分钟充满电。

相较而言,目前最好的固态电池循环次数为2000~3000次。

主要原因在于,他们设计出一种“三明治”电池结构,哪怕在20mA/cm²这样的超高电流密度下,也不会出现锂枝晶穿透现象。

就在最近,这位教授成立的初创公司,被哈佛授予了独家许可,目前已融资515万美元(约3570万元人民币)。

实验室的最新成果,正在大步迈向商业化落地……

支持1万次充放电循环?

研究成果,发表在Nature杂志上。

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这种新型固态电池,在20C充电倍率(8.6mA/cm²)下充放电循环1万次后,电池容量剩余82%。

在1.5C充电倍率(0.64mA/cm²)下充放电循环2000次以后,电池容量剩余81.3%。

同时可以在微米级正极材料中实现110.6kW/kg的功率密度和631.1Wh/kg的能量密度。

最新报道称,这种固态电池最快3分钟可充满电。当时这篇论文给出的结果是,10~20分钟内完成充电。

之所以能大幅提升电池的循环性能,主要归功于电池结构创新——他们设计了一种类似三明治的对称结构。

从左到右依次是:

锂金属阳极→石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→石墨→NMC811阴极

意思就是,锂金属作为固态电池的阳极,单晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)则作为阴极。

石墨介于锂金属阳极和第一层固态电解质之间,主要用于隔热。

值得一提的是,如果没有石墨或金属铟这样的保护层,电压一升高,电池(锂金属为阳极,LGPS为电解质)就容易短时间内失效。

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如图所示,三层固态电解质厚度相当。

夹在两边的第一层固态电解质为Li5.5PS4.5Cl1.5(LPSCI),特点在于对锂金属表现较为稳定,但容易发生锂枝晶穿透。它的存在能够稳定锂金属和石墨层的主要界面,并降低整体过电位。

夹在中间的第二层电解质为Li10Ge1P2S12(LGPS),对锂不那么稳定,但不易发生锂枝晶穿透

中间这层电解质也可换成Li9.54Si1.74(P0.9Sb0.1)1.44S11.7Cl0.3 (LSPS),也能获得类似的性能表现。

这样的安排好处是,锂枝晶可以穿过石墨和第一层电解质,但到达第二层电解质时被“拦截”下来,真正解决了锂金属电池的一大难题和痛点——

电池反复多次充放电,陶瓷颗粒中会频繁产生微米或亚微米级裂纹。裂纹一旦形成,锂枝晶穿透及短路现象就难以避免。

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“三明治”中间的这层固态电解质,恰好让锂枝晶无法刺穿整个电池,从而避免了电池正负极发生短路甚至起火。

除了提高安全性,这种设计还让电池在0.25mA/cm²电流密度、室温的情况下,循环使用1800小时,性能表现远超单一固态电解质的电池。

“三明治”固态电池,行业内啥水平?

首先要理解什么是固态电池。

固态电池,就是指采用固态电解质的锂离子电池。

工作原理上,固态锂电池和传统的锂电池并无区别。

两者最主要的区别在于固态电池电解质为固态,相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。

一般按照正负极材料的不同,固态电池还可以分为固态锂离子电池、固态锂金属电池(以金属锂为负极)。

产业链方面,固态电池产业链与液态锂电池大致相似,两者主要的区别在于中上游的负极材料和电解质不同,在正极方面几乎一致。

固态电池核心优势首先是高能量密度。理论上其单体能量密度最高能达到900Wh/kg,有望彻底解决里程焦虑问题。

其实目前的动力电池已经能达到1000公里续航,比如宁德时代就有相关产品。

但这是在电池包结构、制造工艺上投入大量成本换取的有限进展,这条路线的上限不高。

而固态电池的1000公里续航,其实是一件很容易的事,也就允许企业把更多成本投入安全、能源效率等等方面。

其次是高安全性,许多无机固体电解质材料不可燃,聚合物固体电解质存在一定可燃风险,但相较于电解液安全性也大幅提高。

基于这两点,固态电池也被认为是未来动力电池最有希望的发展方向之一。

目前的阶段,固态电池仍然处在研发试制,国内外都有重要玩家跟进。

据前瞻产业研究院梳理,目前全球范围内约有50多家制造企业、初创公司和高校科研院所推进固态电池技术。

欧美车企对固态电池初创企业关注度较高,车企通过收购、投资在固态电池领域中的初创企业如Solid Power、SolidEnergy Systems、Ionic Materials等以获得技术储备。

日韩方面,日本车企在固态电池上的研发起点相对较早,最早入局的丰田在2008年就与固态电池创企伊利卡(Ilika)展开了合作,三菱、日产、松下等大部分企业也纷纷加速布局固态电池行业,争取早日实现量产。

国内方面,国内企业不及西方起步早,但越来越多的企业已经参与其中,参与主体包括赣锋锂业宁德时代等电池企业;更有其他领域企业看好固体电池跨界投资,如以汽车零部件为主的万向集团、新能源汽车比亚迪等。

不过,固态电池的产业化,依然存在不小的挑战。

首先是需要重塑电池行业供应链。

其次,固态电池采用的预锂化硅碳负极或远景金属锂负极、高镍正极、固态电解质等新科技材料生产成本远高于目前对应的材料,降本之路极其艰巨漫长。

第三点,是固态电池本身的快充效率不佳。一般固态电解质导电率仅为电解液十分之一,的确影响实际应用。

所以“三明治”固态电池,其实就是在充电这个问题上取得了重大进展。

最快3分钟内充满,并且能循环充放1万次,超越了目前绝大部分量产在用的普通锂离子电池。

研究团队介绍

论文第一作者是叶露涵

本科毕业于电子科技大学能源科学与工程学院,学的是新能源材料与器件专业。

2017年本科毕业后拿到哈佛大学全额奖学金直博,进入李鑫教授课题组研究锂金属电池。

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△来自成都电子科技大学官微,最左边是叶露涵

李鑫教授在他申请哈佛大学的推荐信里,这样评价道:

叶露涵在本科期间接受了良好的学术训练,有超越一般本科生的创造性和对于科研的热情。他表现出的科研水平让我相信他具有成为哈佛或MIT博士生的潜质。事实上,在我见过的本科生当中他的科研表现是出类拔萃的。

他在本科期间,履历表现为:

被评选为2016年度成电杰出学生、四川省优秀毕业生。连续两年排名专业第一,三年综合素质排名专业第一,两次获得国家奖学金、唐立新奖学金、人民一等奖学金。

一共发表10篇SCI文章,其中以第一作者发表5篇SCI论文,包括但不限于Advanced Energy Materials (影响因子15.23)、Journal of Power Sources(影响因子6.33)等国际期刊。

△来自成都电子科技大学官微

参与国家自然科学基金1项、省自然基金1项,主持校级创新创业科研基金1项;担任电子科技大学能源学院先进能源材料实验室研究助理,协助导师建立和管理实验室。

还曾与锂离子电池发明人、德州大学奥斯汀分校教授J. Goodenough合作,在燃料电池领域发表气体扩散相关的文章。

与剑桥大学教授K. Zhang、布朗大学教授布鲁克海文国家实验室助理主任J. Dickersion合作,共同开发电化学沉积方法在能源存储与转化领域的技术。

与哈佛大学李鑫教授课题组合作开展了功能化锂离子电池、固态电解质相关课题研究。

此外,他还申请了一项中国专利、一项美国专利,并且多项成果受到国家能源新材料技术研发中心、公司等资助总计超60万。

论文的通讯作者是李鑫,在哈佛大学约翰·A·鲍尔森工程与应用科学学院担任材料科学副教授。

在这之前,他2003年本科毕业于南京大学物理学专业,2010年博士毕业于美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程专业。

他目前在哈佛带的课题研究组,主要专注于通过合成、测试、表征和仿真等方式来设计下一代储能材料。

同时结合电化学、显微镜、光谱学、第一性原理计算和人工智能,以此来获得与材料性能相关性最强的研究发现,用这些来指导新型储能材料的设计,其中就包括锂离子电池或钠离子电池的下一代正负极材料和固态电解质。

与此同时,李鑫教授与他指导的众多学生,于去年一同成立了一家电池初创公司,名叫Adden Energy。叶露涵就在该公司担任首席技术官。

今年年初,该公司宣布完成515万美元(折合人民币约为3609万元)的种子轮融资,由春华资本(Primavera Capital Group)领投,Rhapsody Partners和MassVentures跟投。

最近,这家初创公司被哈佛大学技术开发办公室授予了独家技术许可

技术许可证+最新融资,意味着他们已经初步具备了商业化的条件,能够将实验室的成果落地为产品。

李鑫教授表示非常看好固态电池,“如果你想大力推广电动车,固态电池是必经之路”。

之所以这么有信心,他给出的原因是:

我们的技术远超其他固态电池。
我们的电池充放电循环可以达到5,000~10,000次,而现在即便是同类产品中最好的也只能做到2,000~3,000次。
量产方面,我们没看到有什么限制性因素。一旦它进入市场,可能会改变游戏规则。

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