国际 | 500Wh/kg! 日本下一代电池研究的最新进展

时间:2019-09-05 来源: 国内新闻

新闻邮差夏薇2天前我想分享

锂电池的组成通常包括正极材料,负极材料和电解质。通常,材料成本占电池制造总成本的65%。锂电池正极材料,涉及不同的生产系统,不同厂家,包括钴酸锂,磷酸铁锂,钛酸锂,富锂锰材料。每个公司使用不同的材料系统,如松下是NMC,三元材料具有更大的稳定性和耐用性。

01

日本的下一代电池技术研发项目

(1)ALCA-SPRING和GST项目

日本的锂电池技术研发依赖于ALCA-SPRING和GST项目,这是日本科学技术委员会发起的两个国家项目。该项目的目的是推动新一代创新电池材料的研究,进而推动高容量电池的研发,二次电池的研发,以及下一代锂电池技术的突破,探索二次创新应用电池。

ALCA-SPRING是一项先进的低碳技术研发项目,由日本科学技术厅(JST)的“新一代电池特别促销研究(SPRING)项目”于2013年推出。这是ALCA的特别优先事项。该项目旨在加速现有锂离子电池的高容量二次电池和下一代电池的开发,以及开发创新的二次电池技术。这种电池技术将远远超过现有二次电池的性能,并加速其对实际应用的技术研究。在推动研究方面,ALCA-SPRING不仅开发了活性材料,电解质和分离器等独特材料,组件技术,了解各类电池的反应机理,还通过优化整个电池系统获得二次电池。最佳性能,ALCA-SPRING研究组织结构如图1所示。研发团队可以继续细分为氧化物组,硫化物组和全固态电池组。该大学还有许多子研究旨在促进AL-CA-SPRING的发展。

图1 ALCA-SPRING研究组织结构

(2)RISING2项目

RISING2是新一代电池技术创新研发国家项目,源自日本新能源产业技术开发组织(NEDO)。该项目致力于开发长寿命电动汽车,主要用于开发创新电池,如锌空气电池,纳米界面控制电池(卤化物及其转换产品)和锂硫电池。该项目旨在于2030年为电动汽车实现500 Wh/kg的能量密度。该项目建立了电池技术研发平台。该平台分为三个技术研发团队:负离子工作技术组,阳离子工作技术组和先进的电池测试分析技术组。负离子工作技术组的研究方向包括纳米界面控制(卤化物及其转化体)材料技术,水金属空气电池技术和金属氧化物阳离子(氟化物)脱嵌和吸附机理的基本理论;阳离子工作技术组研究方向包括硫化锂电池技术,纳米界面控制材料技术和阳离子脱嵌和吸附机理的基本理论。先进的电池测试和分析技术组的研究方向包括同步加速器,核磁共振(NMR),中子衍射,微电子显微镜,计算科学,电化学精密测量和其他分析测试技术。 RISING2是一个促进电池发展的项目,由日本的新能源和工业技术开发机构推动。该项目旨在推动电池增加比能量,延长新能源汽车的行驶里程。 RISING2项目包括锌空气电池和纳米界面电池(包括卤化物及其转化)的技术研究。京都大学的研究人员在2009 - 2016年推出了RISING项目,领导了六种创新电池中的四种。图2是围绕项目的合作分工合作的图。图3是参与项目合作伙伴及其地理分布的示意图。

图2项目部门合作框架

02

全固态电池技术研究

国家锂电池技术评估中心委员会希望推动全固态电池的发展。该评估中心委员会由多名研究团队成员组成,并将支持相关技术开发,安全评估等,以更好地帮助制造商进行创新。

全固态电池国家项目基于锂离子电池技术的全固态电池技术和电动汽车评估中心联盟(LIBTEC)的开发。预计到2025年,该项目将实现大功率,长续航(550km)的电池技术;到2030年,巡航范围将从目前的400km升级到800km,设计灵活性和阻燃性能优异,适用温度范围广。图7是全固态电池的原理示意图。

图4所有固态电池的原理

丰田最近发布了一款全固态电池。所有固态电池都可以在2020年装载到实际车辆上,实验原型如图5所示。对于全固态电池,日本技术正在不断发展。所有全固态电池的材料安全性将进一步提高,电解质稳定性更高,导电性高。主流电极材料系统,以及松下公司的一些材料,包括一些磷酸盐材料,这些材料对水非常敏感,并且该领域的研究和开发正在进行中。未来技术可能会有更多的重大突破。图6是用于全固态电池的新材料系统的图。

图5:全固态电池车载实验

固态电池技术项目主要围绕材料系统的研发进行。因为电化学系统中最重要的能量载体是正极和负极的活性材料。材料系统是否具有优异的电化学性能(比能量,化学稳定性,可逆性等)将直接决定电池单元的性能。当然,构成电化学系统的其他隔膜,电解质等也对电池的性能有影响,但影响重量略小。因此,电池技术的飞跃往往是由材料技术的突破带来的。

图6新型固态电池材料系统

日本最近对电池正负极材料的研究变得越来越重要。表1和表2是两种材料开发趋势的摘要。

表1锂离子电池正极材料的发展趋势

表2锂离子电池正极材料的发展趋势

(1)新合金阳极(负极)

全固态电池技术围绕正负材料的研发主线进行。首先,主要在合金阳极Si-C-O材料上研究和开发作为电池的阳极材料的阳极材料。早在七年前,就已经准备研究这种负极材料的电沉积。那时,研究的重点是这种硅化物的沉积和硅的沉积。沉积物中的硅,氧和碳均匀分布,但耐久性差。目前,已经建立了碳,硅和氧离子结构模型,并在此基础上进行了更深入的研究以改善氧化硅碳阳极的性能。电沉积器用于制备负极,该负极是通过直接,简单和成熟的工业制备工艺形成的,直接在集电器上形成,具有较少的粘合剂和简单的浆料涂覆工艺。

通过电沉积在有机电解质中制备负极的示意图示于图1中。使用碳酸亚丙酯和四氯化硅作为溶剂,同时发生硅沉积和溶剂分解,硅和有机/无机化合物的微复合材料,沉积的硅化合物的平面和横截面如图8所示.Si,O和Si是见于图中。 C均匀分布在沉积层中。

图7显示了在有机电解质中金属Cu箔上电沉积的C,O,Si的结构

图8C,O,Si计划和部分

对实验制备的Si-O-C阳极进行充放电实验,充放电效率为98%~99%,放电比容量为830mAh/g,可达到7000次以上。充放电曲线如图9所示。

电流密度:250μA/cm2(1.0 C),相对电位0.01~1.2 V(vs.Li/Li +)

图9 Si-O-C负充电和放电测试

(2)高容量硫化物阴极(正极)

实现高容量锂硫电池的方法是制备高容量正极。对于正极材料的硫化物材料的研究,重点是如何施加硫和增加硫复合材料的密度。通过使用镍或铝泡沫材料作为3D集电器,期望增加其承载能力并增加活性材料负载表面密度和比能。为了实现高负荷的硫化物正极,必须增加硫的表面积密度。增加硫负载表面密度受到传统金属箔集电器的限制。因此,3D结构集电器的制备可以有效地增加负载表面密度。通常,3D结构集电器具有以下优点:由于3D结构集电器具有高比表面积,因此可以增加硫的表面积密度;即使是厚电极也可以确保离子传导路径,这是由于3D结构。富含电解质。 3D结构集电极如图10所示。

图10是3D结构集电器和活性材料硫的集电器的图片。

增加硫负荷可以增加面积比容量,增加硫的表面积密度,并获得高的面积比容量。由于电解质保持稳定,因此硫具有高质量比的能量。优化锂硫电池的组件可以实现200Wh/kg的比能量。图11至13显示了硫正负载,电压,克容量和面密度之间的关系。

图11正极的硫负载量和面积比容量

图12正极的面积比容量,克容量和电压曲线

件下硫正电极的充放电曲线

(3)1Ah锂电池

图14实验室制造的1Ah软包装Li-S电池

图15实验室制造的1Ah软包装Li-S电池的充放电曲线

图14是实验室制造的1 Ah柔性包装Li-S电池,其硫载量为17.5mg/cm 2。锂硫电池由1mm厚的硫正电极和0.2mm厚的锂负电极组成。通过堆叠几个这样的单电池可以获得5Ah锂硫电池。图15是电池的充电和放电曲线。

图16锂硫电池正充放电曲线

图16(a)是S/KBPVdF泡沫铝硫正电极的放电曲线,图16b)是S/KB-CMC + SBR泡沫铝硫正电极的放电曲线。实线和虚线分别是面积比容量和克容量。在充放电试验中,截止电压为1.0~3.3V,S/KBPVdF发泡铝硫正极的充放电率分别为0.03℃和0.01C。 S/KB-CMC + SBR泡沫铝硫正极的充放电率为0.01。 C.

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锂电池的组成通常包括正极材料,负极材料和电解质。通常,材料成本占电池制造总成本的65%。锂电池正极材料,涉及不同的生产系统,不同厂家,包括钴酸锂,磷酸铁锂,钛酸锂,富锂锰材料。每个公司使用不同的材料系统,如松下是NMC,三元材料具有更大的稳定性和耐用性。

01

日本的下一代电池技术研发项目

(1)ALCA-SPRING和GST项目

日本的锂电池技术研发依赖于ALCA-SPRING和GST项目,这是日本科学技术委员会发起的两个国家项目。该项目的目的是推动新一代创新电池材料的研究,进而推动高容量电池的研发,二次电池的研发,以及下一代锂电池技术的突破,探索二次创新应用电池。

ALCA-SPRING是一项先进的低碳技术研发项目,由日本科学技术厅(JST)的“新一代电池特别促销研究(SPRING)项目”于2013年推出。这是ALCA的特别优先事项。该项目旨在加速现有锂离子电池的高容量二次电池和下一代电池的开发,以及开发创新的二次电池技术。这种电池技术将远远超过现有二次电池的性能,并加速其对实际应用的技术研究。在推动研究方面,ALCA-SPRING不仅开发了活性材料,电解质和分离器等独特材料,组件技术,了解各类电池的反应机理,还通过优化整个电池系统获得二次电池。最佳性能,ALCA-SPRING研究组织结构如图1所示。研发团队可以继续细分为氧化物组,硫化物组和全固态电池组。该大学还有许多子研究旨在促进AL-CA-SPRING的发展。

图1 ALCA-SPRING研究组织结构

(2)RISING2项目

RISING2是新一代电池技术创新研发国家项目,源自日本新能源产业技术开发组织(NEDO)。该项目致力于开发长寿命电动汽车,主要用于开发创新电池,如锌空气电池,纳米界面控制电池(卤化物及其转换产品)和锂硫电池。该项目旨在于2030年为电动汽车实现500 Wh/kg的能量密度。该项目建立了电池技术研发平台。该平台分为三个技术研发团队:负离子工作技术组,阳离子工作技术组和先进的电池测试分析技术组。负离子工作技术组的研究方向包括纳米界面控制(卤化物及其转化体)材料技术,水金属空气电池技术和金属氧化物阳离子(氟化物)脱嵌和吸附机理的基本理论;阳离子工作技术组研究方向包括硫化锂电池技术,纳米界面控制材料技术和阳离子脱嵌和吸附机理的基本理论。先进的电池测试和分析技术组的研究方向包括同步加速器,核磁共振(NMR),中子衍射,微电子显微镜,计算科学,电化学精密测量和其他分析测试技术。 RISING2是一个促进电池发展的项目,由日本的新能源和工业技术开发机构推动。该项目旨在推动电池增加比能量,延长新能源汽车的行驶里程。 RISING2项目包括锌空气电池和纳米界面电池(包括卤化物及其转化)的技术研究。京都大学的研究人员在2009 - 2016年推出了RISING项目,领导了六种创新电池中的四种。图2是围绕项目的合作分工合作的图。图3是参与项目合作伙伴及其地理分布的示意图。

图2项目部门合作框架

02

全固态电池技术研究

国家锂电池技术评估中心委员会希望推动全固态电池的发展。该评估中心委员会由多名研究团队成员组成,并将支持相关技术开发,安全评估等,以更好地帮助制造商进行创新。

全固态电池国家项目基于锂离子电池技术的全固态电池技术和电动汽车评估中心联盟(LIBTEC)的开发。预计到2025年,该项目将实现大功率,长续航(550km)的电池技术;到2030年,巡航范围将从目前的400km升级到800km,设计灵活性和阻燃性能优异,适用温度范围广。图7是全固态电池的原理示意图。

图4所有固态电池的原理

丰田最近发布了一款全固态电池。所有固态电池都可以在2020年装载到实际车辆上,实验原型如图5所示。对于全固态电池,日本技术正在不断发展。所有全固态电池的材料安全性将进一步提高,电解质稳定性更高,导电性高。主流电极材料系统,以及松下公司的一些材料,包括一些磷酸盐材料,这些材料对水非常敏感,并且该领域的研究和开发正在进行中。未来技术可能会有更多的重大突破。图6是用于全固态电池的新材料系统的图。

图5:全固态电池车载实验

固态电池技术项目主要围绕材料系统的研发进行。因为电化学系统中最重要的能量载体是正极和负极的活性材料。材料系统是否具有优异的电化学性能(比能量,化学稳定性,可逆性等)将直接决定电池单元的性能。当然,构成电化学系统的其他隔膜,电解质等也对电池的性能有影响,但影响重量略小。因此,电池技术的飞跃往往是由材料技术的突破带来的。

图6新型固态电池材料系统

日本最近对电池正负极材料的研究变得越来越重要。表1和表2是两种材料开发趋势的摘要。

表1锂离子电池正极材料的发展趋势

表2锂离子电池正极材料的发展趋势

(1)新合金阳极(负极)

全固态电池技术围绕正负材料的研发主线进行。首先,主要在合金阳极Si-C-O材料上研究和开发作为电池的阳极材料的阳极材料。早在七年前,就已经准备研究这种负极材料的电沉积。那时,研究的重点是这种硅化物的沉积和硅的沉积。沉积物中的硅,氧和碳均匀分布,但耐久性差。目前,已经建立了碳,硅和氧离子结构模型,并在此基础上进行了更深入的研究以改善氧化硅碳阳极的性能。电沉积器用于制备负极,该负极是通过直接,简单和成熟的工业制备工艺形成的,直接在集电器上形成,具有较少的粘合剂和简单的浆料涂覆工艺。

通过电沉积在有机电解质中制备负极的示意图示于图1中。使用碳酸亚丙酯和四氯化硅作为溶剂,同时发生硅沉积和溶剂分解,硅和有机/无机化合物的微复合材料,沉积的硅化合物的平面和横截面如图8所示.Si,O和Si是见于图中。 C均匀分布在沉积层中。

图7显示了在有机电解质中金属Cu箔上电沉积的C,O,Si的结构

图8C,O,Si计划和部分

对实验制备的Si-O-C阳极进行充放电实验,充放电效率为98%~99%,放电比容量为830mAh/g,可达到7000次以上。充放电曲线如图9所示。

电流密度:250μA/cm2(1.0 C),相对电位0.01~1.2 V(vs.Li/Li +)

图9 Si-O-C负充电和放电测试

(2)高容量硫化物阴极(正极)

实现高容量锂硫电池的方法是制备高容量正极。对于正极材料的硫化物材料的研究,重点是如何施加硫和增加硫复合材料的密度。通过使用镍或铝泡沫材料作为3D集电器,期望增加其承载能力并增加活性材料负载表面密度和比能。为了实现高负荷的硫化物正极,必须增加硫的表面积密度。增加硫负载表面密度受到传统金属箔集电器的限制。因此,3D结构集电器的制备可以有效地增加负载表面密度。通常,3D结构集电器具有以下优点:由于3D结构集电器具有高比表面积,因此可以增加硫的表面积密度;即使是厚电极也可以确保离子传导路径,这是由于3D结构。富含电解质。 3D结构集电极如图10所示。

图10是3D结构集电器和活性材料硫的集电器的图片。

增加硫负荷可以增加面积比容量,增加硫的表面积密度,并获得高的面积比容量。由于电解质保持稳定,因此硫具有高质量比的能量。优化锂硫电池的组件可以实现200Wh/kg的比能量。图11至13显示了硫正负载,电压,克容量和面密度之间的关系。

图11正极的硫负载量和面积比容量

图12正极的面积比容量,克容量和电压曲线

件下硫正电极的充放电曲线

(3)1Ah锂电池

图14实验室制造的1Ah软包装Li-S电池

图15实验室制造的1Ah软包装Li-S电池的充放电曲线

图14是实验室制造的1 Ah柔性包装Li-S电池,其硫载量为17.5mg/cm 2。锂硫电池由1mm厚的硫正电极和0.2mm厚的锂负电极组成。通过堆叠几个这样的单电池可以获得5Ah锂硫电池。图15是电池的充电和放电曲线。

图16锂硫电池正充放电曲线

图16(a)是S/KBPVdF泡沫铝硫正电极的放电曲线,图16b)是S/KB-CMC + SBR泡沫铝硫正电极的放电曲线。实线和虚线分别是面积比容量和克容量。在充放电试验中,截止电压为1.0~3.3V,S/KBPVdF发泡铝硫正极的充放电率分别为0.03℃和0.01C。 S/KB-CMC + SBR泡沫铝硫正极的充放电率为0.01。 C.

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