電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/黃山明)近日,美國國家航空航天局(NASA)從事增強(qiáng)可充電性和安全性的固態(tài)結(jié)構(gòu)電池項(xiàng)目(SABERS)的研究人員,在研發(fā)一種創(chuàng)新型電池組時(shí)取得突破性進(jìn)展,該電池組比現(xiàn)有的電池產(chǎn)品更輕、更安全、性能也更好。
NASA研發(fā)這款電池,是希望將其應(yīng)用在航空領(lǐng)域中來,比如電動(dòng)飛機(jī)與空中交通等。今年4月份,NASA宣布與日產(chǎn)達(dá)成戰(zhàn)略合作,攜手開發(fā)新型全固態(tài)電池,取代目前的鋰離子電池。
固態(tài)電池能量密度提升至500Wh/kg
從NASA公開的數(shù)據(jù)來看,新款研發(fā)的電池為固態(tài)硫硒電池,相比鋰電池而言,體積更小、能量密度更高、重量更輕、承受高溫能力更強(qiáng),以及在受到?jīng)_擊之后仍可以繼續(xù)使用等特點(diǎn)。
并且由于該款電池主要采用硫元素,該元素在自然界中產(chǎn)量豐富,因此獲取價(jià)格低廉。市場中,一噸硫精礦的價(jià)格在1000元左右,而下品位在28%的初級(jí)硫精礦價(jià)格僅要50元/噸,而硒元素價(jià)格則在10萬元/噸左右。相比之下,如今一噸鋰礦價(jià)格在18萬元左右。
不僅是成本優(yōu)勢,由于采用了新型材料,該材料尚未用于電池制作中,這些材料在功率放電上也有巨大的提升。過去一年中,SABERS團(tuán)隊(duì)成功將電池的放電率提高了50倍,這樣一來,該電池為大型車輛提供動(dòng)力的目標(biāo)更進(jìn)一步。
并且由于采用固態(tài)電池,與普通鋰離子電池不同,由于內(nèi)部沒有液體因此在耐熱性、安全性上有了巨大提升。相比于液態(tài)電解質(zhì)鋰電池,固態(tài)電池采用固態(tài)的不可燃電解質(zhì)代替電解液,從根本上解決了電池起火的安全隱患。
外包裝上,SABERS團(tuán)隊(duì)使用了新型的電池包裝,將所有電池垂直堆放在同一外殼內(nèi),不僅能夠減輕電池30%-40%的重量,并且可以增加儲(chǔ)存的能量。
通過這種設(shè)計(jì),該固態(tài)電池的能量密度達(dá)到了驚人的500Wh/kg。要知道特斯拉的4680電池單體能量密度為300Wh/kg,電池組能量密度為217Wh/kg,即便是寧德時(shí)代新發(fā)布的第三代CTP麒麟電池,能量密度也才255Wh/kg。
意味著目前NASA所研發(fā)的固態(tài)電池已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前最先進(jìn)的鋰離子電池,同時(shí),SABERS團(tuán)隊(duì)研究人員在對(duì)電池進(jìn)行壓力和溫度測試,發(fā)現(xiàn)該電池可以在鋰離子電池兩倍的溫度下運(yùn)行,因此無需額外的冷卻技術(shù)。
近年來,中國也對(duì)固態(tài)鋰電池做出了相應(yīng)規(guī)劃,例如在2020年由中國汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中提到,固態(tài)電池研發(fā)力度加大,并布局全固態(tài)鋰離子和鋰硫電池等新體系電池開發(fā)。
值得注意的是,其中提出電池總體目標(biāo)為高比能電池在2025年達(dá)到350Wh/kg,2030年達(dá)到400Wh/kg,2035年達(dá)到500Wh/kg。以此來看,NASA的固態(tài)電池已經(jīng)提前十年達(dá)成了中國業(yè)界的目標(biāo)。
固態(tài)電池能否成為主流?
NASA研究電池時(shí)間并不短,為了解決太空中持久的電力供應(yīng)問題,NASA需要長期可靠的電力系統(tǒng)來探索太陽系,這也成了其研究電池的推動(dòng)力。
為此NASA研發(fā)除了放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)(GTR,也可以簡稱為核電池),而該系統(tǒng)所需的原材料便是钚-238的氧化物。后續(xù)又采用了基于方鈷礦材料制作的核電池,采用新材料的核電池要比原有的電池電量多上25%。
NASA在電池技術(shù)上的優(yōu)勢,也吸引了許多車廠的目光。比如日產(chǎn)便與NASA合作,共同開發(fā)應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的固態(tài)電池,目標(biāo)是制造出15分鐘能充滿電的固態(tài)電池。如今NASA的新款固態(tài)電池研發(fā)的出現(xiàn),意味著距離其既定目標(biāo)已經(jīng)不遠(yuǎn)。
但縱觀市場會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題,在電動(dòng)汽車中,液態(tài)電池仍然占主流,最多不過是半固態(tài)電池,固態(tài)電池遲遲未得到商用,原因在哪里呢?
一方面在于成本,當(dāng)前制造固態(tài)電池生產(chǎn)環(huán)境極端嚴(yán)苛,生產(chǎn)過程復(fù)雜繁瑣,并且最終良品率極低。有多低呢,據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露,某北京企業(yè)的半固態(tài)電池生產(chǎn)線良品率低于50%,而純固態(tài)電池的良品率可想而知。
要知道在液態(tài)電池中,目前特斯拉的4680平均生產(chǎn)良品率為92%,而這已經(jīng)是相當(dāng)?shù)偷乃健S捎诘土悸蕦?dǎo)致的高成本,讓特斯拉大量采購寧德時(shí)代的方形電池,并且占比越來越大,以降低自身的制造成本。
對(duì)于固態(tài)電池的成本,日產(chǎn)方面認(rèn)為目前在75美元/kWh,到2028年以后,這一成本將降至65美元/kWh,屆時(shí)搭載固態(tài)電池的電動(dòng)汽車成本將與燃油車成本大致相同。
即便不考慮成本問題,并且固態(tài)電池極大提升功率密度與使用壽命,但在實(shí)際使用過程中,其表現(xiàn)卻仍未能令人滿意。由于電解質(zhì)變?yōu)榱斯虘B(tài),其內(nèi)部的導(dǎo)電性有所下降,并且固態(tài)電池的內(nèi)阻會(huì)消耗大量能量,使固態(tài)電池在低溫或室溫條件下輸出的電流和功率偏低,但在高溫環(huán)境下反而表現(xiàn)較好。
上文中提到,NASA方面透露,新型固態(tài)電池可以在鋰離子電池兩倍的溫度下運(yùn)行,但卻沒有說明在室溫下固態(tài)電池的表現(xiàn)如何。如果性能下降,那么就與動(dòng)力電池使用的普遍場景相違背。
不過即便如此,NASA所研發(fā)的新型固態(tài)電池也并非沒有意義,因?yàn)槿缃竦囊簯B(tài)電池發(fā)展已經(jīng)快到極限了。比如特斯拉的圓柱電池,便是將單體圓柱電芯做得更大,從而讓電池中使用電芯的個(gè)數(shù)變少,提升成組效率。包括寧德時(shí)代的麒麟電池、比亞迪刀片電池發(fā)展路徑都是類似。
同時(shí)提升電池正極中活性材料的占比來增加能量密度,但這樣會(huì)在一定程度上犧牲電池安全性。而到了今年,寧德時(shí)代發(fā)布的磷酸錳鐵鋰電池中,在正極加入了錳材料,比容量達(dá)到165mA·h/g,將磷酸鐵鋰電池性能推到了極限,只存在利潤上的優(yōu)化空間。
如果想要進(jìn)一步提升能量密度,增強(qiáng)續(xù)航時(shí)間,在新型材料發(fā)展緩慢的當(dāng)下,只能朝著固態(tài)電池方向發(fā)展。目前產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)開始從液態(tài)電池,慢慢向半固態(tài)電池發(fā)展,當(dāng)然在半固態(tài)電池中,想要量產(chǎn)商用,仍然存在諸多問題。但相比純固態(tài)電池,半固態(tài)電池已經(jīng)讓產(chǎn)業(yè)界人士看到了發(fā)展的希望。
寫在最后
早在1990年,美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室便研發(fā)出了固態(tài)電池,可以充放電上萬次而不衰竭,并且充滿電只需要幾分鐘,能量密度超過700Wh/kg。但在30年后,NASA反而將能量密度降至500Wh/kg,但卻讓固態(tài)電池離商用化更近了一步。
通過使用新材料,降低了制造成本,同時(shí)提升了放電率,讓新型的固態(tài)電池向支持大型車輛供電靠攏。并且在如今液態(tài)電池走向極限的當(dāng)下,材料突破緩慢,固態(tài)電池已經(jīng)成為當(dāng)前明確的升級(jí)道路。現(xiàn)在市場中當(dāng)然還是以液態(tài)電池為主,但在未來,固態(tài)電池的發(fā)展已勢不可擋。
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原文標(biāo)題:NASA新電池能量密度達(dá)500Wh/kg,固態(tài)電池將成主流?
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