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三星固态电池产业化路径
三星| 锂电池| 文章来源自:Astroys
2020-03-26 09:29:54 阅读:8142
摘要该技术采用了沉积型锂金属负极技术,并解决了影响电池寿命与安全性的枝晶问题,可以使电池尺寸也减半。

3月10日,多家媒体报道三星电子(注意,是三星电子,不是三星SDI,这部分会在后边解释原因)在《自然》杂志上发表了一篇有关全固态电池技术的论文。

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该技术采用了沉积型锂金属负极技术,并解决了影响电池寿命与安全性的枝晶问题,可以使电池尺寸也减半。这里面的一个关键内容是固态代替电解质代替了液态,并且大幅减少了负极材料,随着电解质的固态化安全性得到了提高。

锂金属负极一直都被枝晶问题所困扰,这部分三星采用了银-碳(Ag-C)纳米粒子复合层来解决。通过将复合层的厚度减小至5μm,可以减小电池总体积,在相同体积下的能量密度自然也得到提升。

据报道说,该技术与传统电池相比,在相同的体积和重量下,可以达到约800㎞续航。电池循环次数为1,000次,这部分或许应该更高一些,理想情况下最好可以保证10年以上的使用寿命。

Ag-C纳米粒子复合层

所以说,三星全固态技术的核心是Ag-C纳米粒子复合层。下图中四个柱形图解释了固态电池开发的演进路径。

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左1是现有的锂电池结构,粗略看来正负极大小接近1:1。首先是将隔膜和液态电解质(中间蓝色细条部分)转变成固态电解质,转变后就可以称之为全固态电池了。

然后是负极由石墨转变为锂金属(左2)。当负极采用锂金属材料时,负极的体积就会大大减小,电池总体积也随之减小,能量密度增加。电池中锂离子含量代表电池容量的大小,而这取决于正极的大小。

因此在相同体积下正极尺寸增大,能量密度就增加了。但锂金属负极一直存在着枝晶问题,三星电子的新技术则用5μm厚的Ag-C纳米颗粒复合层将负极中锂金属材料替代掉了(右1/2)。

进一步看一下《自然》的那篇论文,首先是电解质的部分,采用的是硫化物固态电解质(SSE)。由于目前业界对该领域进行了较多研究,实现起来似乎并不困难。此外,由于SSE柔软的机械性能,只需采用简单的压制法就可以批量生产。但据说这部分还有些问题待解决,因为在制造过程中会产生硫化氢有毒气体。

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锂金属负极在实际使用过程中会产生枝晶,导致体积膨胀并影响到循环寿命。因此三星选择的方法是去除锂金属材质,论文中说是采用了仅使用集电体而无负极的概念。

因此就需要一种替代原有负极功能的材料,而这个材料就是Ag-C纳米颗粒复合层。根据论文中的描述,Ag可溶于锂,可降低锂的晶核能量,有助于将锂均匀地沉积在集电体上。这部分有点难理解,但效果已经得到验证。

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该复合层中由于使用了银,成本会有所增加,因此就需要减小厚度,并采用碳纳米粒子。但有传闻说碳纳米粒子的量产目前还未得到完全解决。

最近,有一些中小初创企业正在尝试,并可以根据一些情况大概判断可量产的时间。而且这些企业开发的材料大部分都是专门针对电池的正负极材料的。

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比如,像JEIO这家企业计划在未来2年内进行大规模生产投资,有望大幅降低单位价格。如此看来,似乎碳纳米粒子相关的进展也在稳步推进,在未来2年将会取得一些成果。

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三星电池从研发到量产的流程

在论文底部会发现,署名是Samsung Advanced Institute of Technology(SAIT)、三星电子和三星日本的研发中心。

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进入SAIT的官网首页,马上就会看到有关这次固态电池研究成果的信息。SAIT的中文名称是“三星综合技术院”。

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研究范围包括AI、电池材料、半导体、OLED显示材料等等。

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点击电池材料部分进去,就会看到有关开发下一代动力电池材料的内容。三星的材料研究所其实之前是三星电子和三星SDI共同建立的,但后来二者因业务侧重点不同又分开了。因此,我们就知道了三星综合研究院也在进行电池材料研究,并且官网上显示最近的研究重点是包含固体电解质的3D结构。

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其实三星电子的综合技术研究院和三星SDI电子材料研究所几乎位于同一地点,都在水原市。前面已经说到之前为同一家机构,之后分家。目前三星SDI材料研究所的角色就是,将三星技术学院开发的材料相关技术进行实际验证测试,然后再由SDI的开发部门进行量产前的Pilot生产,最后在工厂进行正式量产。

因此,这次宣布的全固态技术是由三星综合技术研究院开发的,目前的进度还没有到三星SDI的验证测试阶段。由此可以推测,在最为理想的情况下大概至少需要2年时间才能实现最终量产。另外,如上所述,碳纳米颗粒的量产部分也都要跟进,而目前来看进度还挺同步的。

不过,目前我想大多数人都是在翘首期盼着特斯拉下月的电池秀吧?

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