高安全长寿命全固态锂电池的详细介绍

  锂离子电池是目前世界公认综合性能最好的电池体系，被称为二十一世纪的新能源。凭借工作电压和能量密度高、循环寿命长、应用温度范围宽、无污染、安全性能好等独特优势，可广泛应用在移动通讯与数码产品、电动工具、新能源汽车、可再生能源储能、智能电网调峰添谷等领域，还可在航空、航天、军事等领域发挥重要作用，是国内外大力发展的新型绿色化学电源。然而锂离子电池实际应用过程中存在着诸多问题，其中安全问题尤为突出，这主要是因为有机电解液成分易发生挥发、泄露，容易诱发着火、爆炸等安全事故，**了其在大型储能电池领域的规模化应用。众所周知，锂金属是锂离子电池负极材料的理想选择，但是由于液态电解质体系，负极反复沉积/剥离过程中伴随着锂枝晶生长的突出问题且难以有效抑制，使得锂负极应用受限而无法更进一步获得高比能量锂离子电池。近年来，完全由固体材料组成的全固态锂电池因为具有高安全性受到广泛关注，成为下一代储能电池的研究热点，相比于采用有机碳酸酯类溶剂-锂盐复合型液态电解质锂离子电池，全固态锂电池在理论上具有显著优势：① 更高的比能量和能量密度(＞300 Wh，可采用金属锂负极)；② 高低温性能优异；③ 自放电速率小；④ 全固体材料组成，本征安全性高；⑤ 循环过程中无副反应发生，具有更长的循环寿命；⑥ 电化学窗口＞5 V，可以匹配高电压正极材料；⑦ 电解质机械强度高、形状可控，全固态锂离子电池易加工成型。尽管全固态锂电池还存在多项关键科学问题和重大技术难题尚待解决，但其作为下一代储能电源的理想选择显示出了的光明的市场应用前景，也使得国内外汽车和电池制造企业正在加紧固态电池的开发进程和产业布局。

      美、日、韩、欧等近年启动的新能源及先进电池发展规划中均将固态电池作为重要方向。日本丰田公司与东京工业大学合作开发硫化物系电解质及功率型固态电池，已有代步单人电动车示范，计划2022年推向市场。中科院宁波材料所以硫化物Li10GeP2S12为电解质制备全固态锂金属电池，100次循环容量保持率94%，目前正与赣锋锂业联合开发。加拿大Hydro-Québec研究院开发的聚合物固态电解质和金属锂负极固态电池用于法国Bluecar电动车，是唯一实现商业化的大容量全固态电池。日本电力中央研究所研制的聚合物固态锂离子电池，55℃下稳定循环5400次，计划用于家庭供电，但是还没有实际应用。

      本项目紧跟世界全固态锂电池的发展趋势，同时结合哈工大多年来在锂离子电池电极材料与电解质材料方面的技术积累，与珠海光宇电池股份有限公司合作，开展高性能全固态锂电池的产业化开发。项目针对锂金属聚合物固态电池产业化的技术关键，开发高离子电导率、高安全性、高机械性能、低成本复合固态电解质材料的批量制备和工艺优化技术，解决复合材料的批次稳定技术；发展固态电池复合正极极片的规模制备工艺与控制技术，解决材料在使用过程中易吸潮、电极加工困难、致密度低等技术瓶颈；开展适用于全固态电池电极电解质界面结构优化设计，开发适用于固态电池生产的机械设备及与之相匹配的工艺控制和优化技术以及电池一致性技术，增强固态电池的循环稳定性，整体突破锂金属聚合物固态电池生产的关键技术。

      本项目通过独特的界面处理、包覆等技术，突破了锂金属聚合物固态电池的低温可循环性、稳定性、倍率性能等技术瓶颈，形成了具有自主知识产权的专利技术。在保证全固态锂电池高能量密度的前提下，大幅度提高了其循环寿命、安全性和倍率性能。通过采用富镍三元高电压正极材料，固态电池各方面综合性能优于磷酸铁锂、锰酸锂以及钴酸锂等锂离子电池，其能量密度比磷酸铁锂电池提高30%以上，能够全面满足对锂离子电池、特别是动力锂离子电池的技术要求，具有非常大的应用潜力。而且，项目针对全固态电池与传统锂离子电池生产技术的差异，开发系列适用于全固态电池生产的机械设备，大幅提升了固态电池的生产效率。因此，所开发的锂金属聚合物固态电池将具有很强的市场竞争力。

      本项目建设符合国家产业政策和行业、地方发展规划，项目建设条件良好，工艺技术先进、可靠，市场前景和应用领域非常乐观。所开发的锂金属聚合物固态电池可用于新能源汽车动力锂离子电池，是新能源汽车产业链中技术最核心、利润最丰厚的一环，其市场容量将是几千亿元的规模。同时，还可广泛应用于消费类电子产品、电动工具、电动自行车等小型锂离子电池，也将具有上千亿的市场容量。因此，本项目实施将会创造显著的经济效益。而且，项目建成后，可有力推动我国锂离子电池产业的发展，促进行业进步，对发展本地经济，促进就业，实现经济社会可持续发展具有十分重要的意义，社会效益显著。 

 

相关评估评价信息

1、创新性（40%）

      （1）高安全：锂金属聚合物固态电池无任何液体成分，电极和固态电解质材料具有良好的热稳定性（固态电解质热分解温度＞300 ℃，锂负极熔融温度＞180 ℃）和高本征安全性，可以在高温下使用且不存在商业化锂离子电池漏液、着火、爆炸的安全风险。 （2）高比能：锂金属聚合物固态电池采用薄层金属锂代替传统锂电石墨负极，可以提升电池体积比能量30%以上，质量比能量也有较大幅度提高。结合高压正极材料，固态电池质量能量密度可以超过350 Wh，相比传统锂离子电池提升25%以上。 （3）长寿命：锂金属聚合物固态电池不存在电解液的不可逆消耗、干涸问题，可以保证固态电池各组分的组成和结构稳定，通过固态电解质材料优化、固态电池结构设计和微观电极电解质界面修饰，可以显著增强固态电池宏微观界面结构稳定性和循环可逆性，循环寿命＞2000次。 （4）低成本：锂金属聚合物固态电池无隔膜，采用薄层金属锂代替石墨负极，相比传统液体锂离子电池，在提高电化学性能的同时大幅减少了电池中非活性成分用量，单体内部串联简化电池封装工艺，降低了电池材料成本。

2、成熟度（40%）

      本项目技术来源于哈工大，为哈工大独创，有强大的技术后盾，是哈工大电化学学科的重点项目。哈工大电化学学科是国内较早建立的几个同类学科之一，多年来从事化学电源相关研究，积累了丰富的经验，为我国化学电源事业发展做出了重要贡献，在业内享有盛誉。哈工大自2003年以来，一直从事锂离子电池关键材料的研究工作，先后获得国家“节能与新能源汽车重大项目”和“黑龙江省装备制造平台产学研重大项目”等资助，利用哈工大多年的技术积累，已经攻克固态电解质复合材料合成、全固态电池界面优化、固态电极微观结构调控、固态电池一体化集成制备等关键技术问题，已申请国家发明专利，形成自主知识产权专利技术。项目产品经过企业试用，其性能大幅度领先于目前的传统锂离子电池，具有非常高的产业化和商业化潜力。本项目已经顺利完成实验室小试和中试，已经进入产业化开发阶段。因此，我们的锂金属聚合物固态电池项目具有较高的技术成熟度。

3、实用性（10%）

      本项目所研发的锂金属聚合物固态电池具有高比能量、良好的倍率性能以及长循环稳定性等优势。随着中国经济的持续快速发展，对高性能锂离子电池的需求量迅速增加，由于锂金属聚合物固态电池电池在诸多方面具备的优势，可以满足多种用途应用，包括：（1）应用于便携式终端设备，满足智能手机、掌上电脑、笔记本电脑、数码相机等消费类电子产品要求，该市场以每年15%-25%左右的速度增加；(2) 应用于电动工具、电动自行车，基于锂离子电池质量轻、能量大、电压高、循环稳定性好等优点以及成本不断下降的事实，该市场会以每年超过60%的速度大幅度增长；(3) 应用于电动汽车，随着国家政策的推进，电动汽车进入快速成长期，相应锂离子电池需求量将由2009年的0.25GWh爆发式增长至2015年的35.73GWh，国内的产业规模为120亿美元以上；(4) 应用于光伏、风电等储能领域，该市场年均增长率将高达200%以上，是增速最快的锂离子电池细分市场；(5) 还可应用于卫星、潜艇等对电池比能量、寿命和安全性要求较高的航天和军事领域。

4、环保性（10%）

      固态电池生产工艺简单、成本低、制备条件易于控制、易实现工业化生产，原材料利用率高，电池结构中无任何液体成分添加，生产过程不产生废气，制备过程中使用的溶剂易于回收再利用，电池不存在传统锂离子电池的漏液、着火、爆炸等安全风险，节能环保。 所谓的“三元锂电池”简单来讲就是电池正极材料由三种金属元素与锂共同构成的锂电池种类，如目前大量应用的镍钴锰酸锂电池。

 

以这种电池为代表的最新一代的三元锂电池(正极材料由三种材料构成)，不论是电池循环次数还是最重要的每千克储能数量，相比其他形式的锂电池都有了质的提升。单纯从这方面来看，三元锂电确实是现阶段新能源汽车上动力电池的最佳选择。

 

锂电池可以有多种形状，除了18650这种金属外壳圆柱状电池之外，还有外壳为铝塑材料的软包装形式以及方形电池种类。其中铝塑包装的软壳电池是目前应用最为灵活的锂电池形式，其大小、厚度都可以自由定制，而且可以多片堆叠，具有相当的应用灵活性。