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聚合物基固态电池“两难”处境观察

05/17 10:00
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在当前所有固态电解质技术路线中,聚合物是长板、短板都不那么突出,同时产业成熟度较高的。

长板方面,由于聚合物电解质材料柔韧性高,容易加工,价格仅略高于液态;生产上与现有电池工艺的兼容程度高,设备成本差别不大,量产成本低。在性能上,聚合物材料与正负极材料界面接触良好,有利于电池循环寿命的延长。

但其两大瓶颈问题也十分明显:

一是室温离子电导率(须在60-85℃高温运行)。这直接影响电池充放倍率,不利于快充性能的实现;

二是电化学窗口<4V(仅略高于液态),而高压下会被氧化,材料本身更适配铁锂正极,较难满足提高电池能量密度的需求。

此外,由于机械强度低,聚合物基固态电池易形变失效。也有团队表示,传统聚合物固态电解质还存在离子传输性能与良好界面接触难以兼顾的问题。

从国内布局聚合物基固态团队的公开进度中,可以部分窥见上述问题的解决情况。

在传统动力电池厂商中,比克电池和LG新能源选择了聚合物路线。

其中,比克电池基于聚合物-氧化物复合体系,已经开发出能量密度超过350Wh/kg的第二代半固态电池新品,囊括了30Ah、60Ah和100Ah三大尺寸层级,后两者可应用于电动汽车上,最大充放电倍率为3C。

据高工锂电了解,以聚合物为基础的复合电解质体系,会同时存在聚合物本身室温电导率差、氧化物电解质颗粒因为散落分布而无法贡献实际电导率的问题,提高电导率或要求在分布比例、聚合途径等方面进行调整。

LG新能源则将650Wh/L聚合物半固态电池的商业化节点定在2026年,2028年有望推出750Wh/L的聚合物固态电池。

中科汇泽深蓝、冠盛东驰、领新新能源等属于初创电池团队,前两者技术优势明确、正与车企接触中,领新则主要在产能建设上有较快布局。

针对电压窗口低的问题,中科深蓝汇泽通过改善分子结构工程设计、调控分子能级来拓宽电压耐受窗口,提升能量密度。

针对室温离子电导率低的问题,该公司开发出高性能聚合物电解质,结合新型锂盐分子设计,最终实现离子电导率对照聚合物电解质体系提升128倍。

中科汇泽深蓝还考虑到了固态电解质离子传输性能与良好界面接触难以兼顾的问题,通过设计复合连续快离子导体相、构建“三相渗流”复合固态电解质,来强化离子传输和机械强韧性。

目前,团队已搭建起0.2GWh中试生产线,另有1GWh产能规划建设中。

于今年1月刚成立的冠盛东驰公司,脱胎于东北师范大学锂电研究团队所孵化的东驰能源,在引入汽车零部件企业温州冠盛的资金后正式形成。

基于0.5GWh的聚合物基储能固态电池产线,其三元准固态电池(54Ah)最高可实现450Wh/kg的能量密度。核心技术为在聚乙烯多孔基膜上涂覆混合前驱体,经过紫外线交联反应后形成无机-有机复合固态电解质膜,离子电导率可达1mS/cm;并在三元正极、锂金属负极上分别包覆、涂覆固态电解质膜。

作为参考,传统液态电解质电导率为10-15mS/cm,而新型液态电解质能达到20mS/cm左右的高水平。

因此,通过针刺试验的高安全性、超1000公里续航,是公司聚合物基动力固态电池的亮点。公司正在与一汽红旗、赛力斯、岚图、长安等诸多车企接触中,部分送样产品进入B样测试阶段。

此外,冠盛东驰据称已接到超2亿元的固态电池订单,主要来自欧洲和澳洲,或先以其铁锂半固态储能电池的交付为主。

领新(重庆)新能源宣布其聚合物基固态电池产线一期在今年5月正式进入量产阶段,产能为0.5GWh/年。此次投产的是采用聚合物固态电解质的“大固”系列产品。

从介绍来看,该产品可搭载三元材料体系,并实现超过380Wh/kg的能量密度。倍率方面,公司主要基于超宽极耳技术来降低电芯内阻配合充电桩可支撑1C-4C之间的充电速率。

值得注意的是,虽然该公司未对如何解决聚合物固态电解质瓶颈问题做出过多解释,但据称其产品中的液含量已低至5%,且随着二期5GWh工厂投产,液含量还将进一步降低至1%-3%,进入准固态电池的范围。

作为对比,在已公开的半固态电池产品中,关于液含量的介绍常见为并不精确的“10%以下”。据高工锂电了解,6%-8%液含量是进度较为靠前的半固态团队所能实现的。

此外,聚合物赛道中也有专注于材料开发的初创团队。以沧州中孚新能源为例,其“萨拉孚”聚合物电解质隔膜由多种聚合物材料复合合成,锂离子迁移数达0.98,转化为电导率则较传统PE隔膜高出1.16-1.5倍。公开资料显示,传统PE隔膜的离子电导率约为10^-4~10^-3m S/cm。

综上来看,聚合物无法适配高能量密度电极的问题正好被很好的解决,但不同团队在离子电导率这一问题的解决上实际还存在着较大差异性,且尚未突破聚合物体系电导率天花板(也就是无法比及其他固态电解质体系和液态电解质的电导率)的瓶颈。

结合终端车企的反馈来看,能多大程度解决此问题,即实现聚合物基倍率型固态电芯的量产,或许是聚合物赛道进入拐点的关键。

若和其他固态电解质进行对比,氧化物材料价格同样不高,便于量产,且进度稍微超前:今年1-4月国内半固态电池装车超过1GWh,主要为卫蓝新能源向蔚来供货的氧化物半固态电池。

而在性能上,虽然聚合物的“短板们”已多少得到突破,却也无法向上撑起更大的技术迭代想象空间。

另随着现有液态电池向高性能方向不断迭代,如宁德时代神行PLUS电池已经是基于磷酸铁锂体系实现超千公里续航;新型电池的代表4680大圆柱电池又已经在大规模产业化的道路上走得更久、更远,聚合物基固态电池则仍在等待终端客户给出更为明确的合作信号。

留给聚合物固态体系的时间并不太多,产业正等待更积极的动作出现。

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