Können Festkörperbatterien die Ningde-Ära besiegen?

Können Festkörperbatterien die Ningde-Ära besiegen?

"Wenn Sie fünf Minuten aufladen und zwei Stunden sprechen können", ist die Toxizität dieses Slogans vergleichbar mit "Melatonin". Heute hat dieser Slogan auch eine Version der Autoindustrie - "Laden Sie eine Minute, Batterielebensdauer für 800 Kilometer."

Anfang 2018 veröffentlichten ausländische Medien eine Nachricht, dass die Elektroautomarke Fisker ein Patent für eine solide Lithiumbatterie angemeldet hatte, die eine maximale Lebensdauer von 800 Kilometern hatte und nur 1 Minute auflud.

Mit dem Rückzug neuer Energiefahrzeuge und Batterien ist der Preis für Lithiumbatterien gesunken, und die Bruttogewinnmarge der Batterieunternehmen ist gesunken. Gleichzeitig konnten die Lithiumbatterien, die die meisten Unternehmen derzeit entwickelt haben, nicht wesentlich verbessert werden, wodurch die Elektrofahrzeuge entfielen. "Kilometerstand Sorge."

Daher entstand die Festkörperbatterie mit einer Energiedichte, die dreimal so hoch ist wie die der ternären Lithiumbatterie, und sie konnte nur die Ningde-Ära besiegen.

Seit 2017 sind Unternehmen entstanden, die Festkörperbatterien entwickelt haben, und Festkörperbatterien sind zu einem Forschungsschwerpunkt für Unternehmen geworden.

Der deutsche Volkswagen Konzern hat kürzlich bestätigt, 100 Millionen US-Dollar in die gemeinsame Entwicklung von Festkörperbatterien in QuantumScape investiert zu haben. "Wir werden uns mit Volkswagen als Spezialist für Fahrzeugproduktion und der Erfahrung von QuantumScape als führender Anbieter von Festkörperbatterietechnologie zusammenschließen, um die Kommerzialisierung von QuantumScape-Festkörperbatterieprodukten zu beschleunigen", sagte Axel Heinrich, Forschungsleiter bei Volkswagen Group.

In den derzeit verschiedenen neuen Batteriesystemen verwenden Festkörperbatterien neue Festkörperelektrolyte, um aktuelle organische Elektrolyte und Separatoren durch hohe Sicherheit, hohe volumetrische Energiedichte und verschiedene neue Hochenergieelektrodensysteme (wie Lithium-Schwefel-Systeme) zu ersetzen Metalle). Das Luftsystem usw. weist ein breites Spektrum an Anpassungsfähigkeit auf und kann die Massenenergiedichte weiter verbessern, was voraussichtlich die ultimative Lösung für die nächste Generation von Leistungsbatterien sein wird, was bei vielen Forschungsinstituten, Start-ups und einigen Automobilunternehmen weit verbreitete Besorgnis hervorruft in Japan, den USA und Deutschland.

Was ist eine solide Batterie?

Wie der Name schon sagt, sind alle Materialien in der Batterie in fester Form, ohne Flüssigkeit oder Flüssigkeit. Da Lithium-Ionen-Batterien die häufigsten Batterien in unserem täglichen Leben sind, verwenden wir normalerweise ausschließlich Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien als Vertreter für Festkörperbatterien. Daher ist die in diesem Artikel erwähnte Festkörperbatterie das Standard-Festkörperlithiumion. Batterie.

Laut Prof. Li Hong und Prof. Xu Xiaoxiong, die die Forschung zu Festkörperbatterien in China leiten, werden alle Festkörperbatterien drei Stufen durchlaufen: halbfest (2018), quasi fest (2020) und alle -fest (2022). ).

Gegenwärtig wird eine Halbfestkörpertechnologie realisiert, dh ein Festelektrolyt, der als Schutzschicht des Lithiums der negativen Elektrode verwendet wird, während ein flüssiger Elektrolyt unterstützt wird. Festkörperbatterien befinden sich jedoch noch im Versuchsstadium des Labors und können nicht kommerzialisiert werden.

Wie am Anfang des Artikels erwähnt, haben alle Festkörperbatterien viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.

Kleine Größe

Die volumetrische Energiedichte einer Batterie ist eine sehr wichtige Referenzdaten. Je nach Anwendungsbereich sind die Anforderungen von hoch nach niedrig Unterhaltungselektronik> Elektrofahrzeug zu Hause> Elektrobus.

Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien müssen ein Separator und ein Elektrolyt verwendet werden, die zusammen fast 40% des Volumens und 25% der Masse der Batterie ausmachen. Wenn sie durch feste Elektrolyte (hauptsächlich organische und anorganische Keramikmaterialien) ersetzt werden, kann der Abstand zwischen den positiven und negativen Elektroden auf einige bis einige Zehntel Mikrometer verkürzt werden, so dass die Dicke der Batterie stark sein kann reduziert.

Dies bedeutet, dass das Auto nach Verwendung einer Festkörperbatterie keine Batterie mehr trägt, die so schwer ist wie sein eigenes Gewicht und auf der Straße fährt.

2. Hohe Sicherheit

Bei Elektrofahrzeugen ist die Sicherheit der Batterie äußerst wichtig. Der Selbstentzündungsunfall neuer Energiefahrzeuge hat nicht aufgehört, auch Tesla, das höchste Ende des globalen neuen Energiefahrzeugs, ist nicht immun.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund abnormaler organischer Bedingungen wie Langzeitladung und internem Kurzschluss aufgrund des verwendeten organischen flüssigen Elektrolyten extrem hitzeempfindlich, was zu Quellung, spontaner Verbrennung oder sogar Explosion des Elektrolyten führt. Viele anorganische Festelektrolytmaterialien sind nicht brennbar, nicht korrosiv, nicht flüchtig und weisen keine Leckageprobleme auf. Der Polymer-Festelektrolyt weist im Vergleich zu einem flüssigen Elektrolyten, der ein brennbares Lösungsmittel enthält, eine signifikant verbesserte Batteriesicherheit auf.

3. Hohe Energiedichte

Festelektrolyte haben im Allgemeinen ein breites elektrochemisches Fenster, genau wie ein kleiner Rahmen, so dass mehr Hochspannungskathodenmaterialien installiert werden können. In Verbindung mit der geringen Größe und Stabilität von Festkörperbatterien kann das Batteriemanagement vereinfacht werden, und die Energiedichte nimmt natürlich zu.

Gegenwärtig beträgt die Energiedichte von Festkörperbatterien etwa 400 Wh / kg, und der geschätzte maximale Potentialwert beträgt 900 Wh / kg, was mehr als 100% Verbesserungspotenzial bietet.

Durch die hohe Energiedichte wird die Lebensdauer der Batterie verbessert. Einer der Faktoren, die derzeit den Fortschritt von Elektrofahrzeugen plagen, ist, dass die aktuelle Batterielebensdauer nicht unterbrochen werden kann. Wenn Sie eine Festkörperbatterie erhalten, können Sie die "Kilometerangst" beseitigen. Selbst wenn es am Anfang des Artikels eine Minute lang aufgeladen wurde, ist es nicht unmöglich, die 800 Kilometer zu beenden.

Nicht alle Festkörperbatterien können "in den Himmel treten"

Trotz der vielen Vorteile von Festkörperbatterien ist es nicht so einfach, das Labor zu verlassen.

Das erste ist, dass die Schnittstellenimpedanz der Festkörperbatterie zu groß ist. Die Grenzfläche zwischen dem Festelektrolyten und dem Elektrodenmaterial befindet sich in einem Fest-Fest-Zustand, so dass der effektive Kontakt zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten schwach ist und die Transportkinetik der Ionen in der Festmasse gering ist.

Das zweite ist das Ladeproblem. Für Besitzer von Elektroautos möchten sie nicht mehr Zeit mit dem Aufladen verschwenden. Wenn Sie jedoch einen Festkörperakku verwenden, ist das Aufladen schwieriger.

Die Impedanz und Leitfähigkeit der Batterie zeigen, dass der Innenwiderstand groß ist, was das Laden behindert, und da der Innenwiderstand groß ist, tritt während des Ladevorgangs ein Energieverlust auf. Dieser Teil der Energieverschwendung kann nicht ignoriert werden. Darüber hinaus kann sich das Material der Vollbatterie während des Lade- und Entladevorgangs ausdehnen oder zusammenziehen, was zu einer einfachen Trennung der Schnittstelle führt.

Daraus folgt das wichtigste Kostenproblem. Die Kosten sind der größte Faktor, der die Kommerzialisierung verhindert.

Gegenwärtig haben die Elektrolyte von Festkörper-Lithiumbatterien hauptsächlich zwei Hauptsysteme, organische und anorganische, und die Kosten sind im Allgemeinen hoch. Insbesondere komplizierte Verfahren wie CVD / PVD stellen viele anorganische Batterien her, und die Herstellung (abgeschiedener Film) ist langsam und teuer. Die Einzelzelle hat eine geringe Kapazität und ist häufig nur für Batterien für kleine elektronische Geräte geeignet, geschweige denn für Automobile.

Darüber hinaus ist der Prozess zur Vorbereitung von Festkörperbatterien nicht ausgereift genug, und die Erfassung von Nutzungsdaten für Batterien ist nicht umfassend. Nur bei der Elektrolytherstellung von Festkörperbatterien reicht die technische Unreife der beiden Kernprobleme der Fest-Festkörper-Grenzflächenoptimierung aus, um die Kosten für Festkörperbatterien hoch zu machen.

Darüber hinaus haben Festkörperbatterien noch keine groß angelegte Kommerzialisierung erreicht.

Gleichzeitig mit der Festkörperbatteriewärme auf dem Kapitalmarkt in diesem Jahr ist die Branche erstaunt. Die meisten Leute sagen, dass es zu früh ist, Festkörperbatterien zu vermarkten.

Li Wei, ein Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dass für die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien ausreichende technische Reserven und Forschungs- und Entwicklungsteams vorhanden sein müssen, da eine Lithiumbatterietechnologie im Allgemeinen mindestens 15 Jahre benötigt Entwicklungszeit.

Wang Rongjin, ein Partner von Jinbang Capital, der in Lithiumbatterien investiert, sagte den Daily Economic News, dass die meisten von ihm kontaktierten Forschungs- und Entwicklungsmitarbeiter pessimistisch gegenüber Festkörperbatterien sind und der Ansicht sind, dass eine kurzfristige Kommerzialisierung schwierig ist.

Bereits 2010 führte Toyota Elektrofahrzeuge ein, die Festkörperbatterien verwenden und eine Reichweite von bis zu 1.000 Kilometern haben. Toyotas Mitarbeiter gaben jedoch auch zu, dass sich Toyotas Festkörperbatterien noch im Labor befinden.

Li Wei beschrieb die derzeitige Kommerzialisierung von Festkörperbatterien als "der sogenannte Festkörper sieht das Konzept nur, kennt aber die Leistung nicht; nur von Sicherheit gehört, aber kein Sicherheitstestbericht". Aus den öffentlichen Daten geht hervor, dass es keine systematische Datenfreigabe für Festkörperbatterien gibt und Brennstoffzellen Systemdaten wie Größe, Leistung und Lebensdauer des Stapels enthalten. Wenn diese Daten veröffentlicht werden, ist diese Technologie ausgereift.

Bisher haben viele Automobilunternehmen angegeben, dass sie diesbezüglich einige Schritte unternommen haben, aber keiner von ihnen hat tatsächlich Daten angegeben.

In- und ausländische Giganten haben angelegt

Obwohl für Großbatterien eine groß angelegte Kommerzialisierung im Auto nicht das aktuelle Thema ist, haben viele Automobilhersteller, Batterielieferanten usw. diesbezüglich große Anstrengungen unternommen. Führende Unternehmen der Batterieindustrie wie Toyota, Panasonic, Samsung, Mitsubishi und die heimische Ningde-Ära haben die Reserveforschung und -entwicklung für Festkörperbatterien aktiv eingesetzt.

Relativ gesehen ist die technologische Reife höher und die Technologie tiefer. Es gehört zu Bolloré aus Frankreich, Sakti3 aus den USA und Toyota aus Japan. Diese drei repräsentieren auch die typische Technologieentwicklungsrichtung der drei Festelektrolyte von Polymeren, Oxiden und Sulfiden.

Das in Europa bekannte Bolloré verwendet ein Polymerelektrolytsystem und Samsung ein Sulfidelektrolytsystem. Der deutsche Autoteile-Riese Bosch (BOSCH) erwarb 2015 das US-amerikanische Batterieunternehmen "Seeo". Bosch und Seeo errichteten daraufhin mit der berühmten japanischen GSYUASA Battery Company und Mitsubishi Heavy Industries ein neues Werk, das sich auf Festkörperanoden-Lithium-Ionen-Batterien konzentriert.

Im Bereich der Autobatterien waren japanische Unternehmen führend. Bereits 2013 hatte es einen Anteil von 70% am Weltmarktanteil, bis 2016 ist dieser Wert jedoch auf 41% gesunken. Gegenwärtig hofft die japanische Regierung, die Marktbeherrschung durch verstärkte Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien wiederzugewinnen.

Im Mai 2017 kündigte das japanische Wirtschaftsministerium an, 1,6 Milliarden Yen in die gemeinsame Entwicklung von Festkörperbatterien wie Toyota, Honda, Nissan, Panasonic, GS Yuasa, Toray, Asahi Kasei, Mitsui Chemicals und Mitsubishi Chemical zu investieren . Sie hoffte, dass das Ziel von 800 Kilometern im Jahr 2030 erreicht würde.

Toyota kündigte auch die Zusammenarbeit mit Panasonic an, um Festkörperbatterien zu entwickeln. BMW kündigte die Zusammenarbeit mit SolidPower bei der Entwicklung von Festkörper-Lithiumbatterien an. Bosch und Japans berühmtes Batterieunternehmen GSYUASA (Tangshhao) und Mitsubishi Heavy Industries errichteten gemeinsam eine neue Fabrik, die sich auf Festkörperanoden-Lithium-Ionen-Batterien konzentriert. im Inland hat es diesbezüglich im Ausland nicht weitgehend aufgegeben.

Vor der offiziellen Entwicklung von Festkörperbatterien führte die Ningde-Ära Forschungen zu globalen Festkörperbatterieunternehmen durch und bestimmte deren eigene Entwicklungsrichtung. Im Oktober 2016 stellte Dr. Liu Na, Ningde Times New Energy, das Layout sowie den Forschungs- und Entwicklungspfad der Ningde-Ära auf dem Gebiet der Polymer-Festkörper-Lithiummetallbatterien und Sulfid-Festkörperbatterien vor.

Darüber hinaus geht es im Entwicklungsprozess der Ningde-Ära auch um die Herstellung von Festkörperbatterien. Der vollständige Herstellungsprozess von Festkörperbatterien unterscheidet sich vom traditionellen Lithium-Ionen-Herstellungsprozess und den erforderlichen neuen Geräten und Prozessen. Daher wurde die Entwicklung des Prozesses auch in der Ningde-Ära durchgeführt. .

Darüber hinaus gab Guoxuan Hi-Tech, das bereits mit der Entwicklung von Festkörperbatterien und Festelektrolyten begonnen hat, im Jahr 2017 bekannt, dass das Unternehmen die Produktion und Technologie von Strombatterien der nächsten Generation in den USA und Japan gemäß den Produktanforderungen für entwickelt Zusammenarbeit mit internationalen First-Line-Fahrzeugmarken. Bei Produktionsanlagen werden verwandte Produkte die Semi-Solid-Batterietechnologie verwenden. Die Unternehmen werden auch der Entwicklung und Industrialisierung von vorgelagerten Schlüsselrohstoffen, einschließlich Festelektrolyten, große Aufmerksamkeit widmen.

Im März 2018 teilte Guoxuan Hi-Tech auf der Interaktionsplattform für Investoren mit, dass sich die halbfeste Batterietechnologie des Unternehmens derzeit in der Phase der Umstellung von Labor auf Labor befindet.

Mit der raschen Entwicklung von Elektrofahrzeugen auf der ganzen Welt können Festkörperbatterien die Lebensdauer von Kraftfahrzeugen schnell verbessern, was zweifellos eine unvermeidliche Richtung für die zukünftige Entwicklung von Batterien ist. Unter dem doppelten Einfluss von "Doppelpunktpolitik" und Subventionen bedeutet dies, dass der Wettbewerb in der Batterieindustrie intensiver wird und diese Unternehmen gezwungen sind, sich auf die nächste Generation von Batterietechnologie, Festkörperbatterien oder besser zu konzentrieren. Wählen.

Darüber hinaus hat die Investition und Finanzierung von Festkörperbatterien die Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien objektiv gefördert, die Industrie und das Feld stimuliert und den Schwerpunkt der Branche auf Festkörperbatterien gefördert.

In Bezug auf Leitfähigkeit, Zellrate, Effizienz der Batterievorbereitung und Kostenkontrolle von Festelektrolyten haben alle Festkörperbatterien jedoch noch einen langen Weg vor sich.

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