解析IMEC的全固态电池

最近出现了一种新型的全固态电池，实现了低成本、大容量，有可能提前实现固态电池的商业化。这种电池是由比利时微电子研究中心(IMEC)开发的。据悉，日本松下也参与了电解质材料的开发。2019年6月，IMEC宣布开发出体积能量密度高达425 Wh/L的固体电解质锂离子二次电池(LIB)(图1)。它使用磷酸铁锂:LFP作为正极活性材料，金属锂作为负极活性材料。图1:2024年能否达到1000Wh/L？图中显示了使用液体电解质的现有锂离子二次电池(LIB)和IMEC开发的全固态电池的体积能量密度的变化。如果没有重大突破，液态电解质LIB有望成为天花板。另一方面，IMEC的能量密度在过去一年翻了一番，在未来五年将达到1000瓦时/升。(图:IMEC)作为液体电解质LIB电池，一般在400Wh/L以上，这是一个常见的水平，实验室也有一些例子达到了700 W h/L，但是IMEC据说2024年以后可以做到1000Wh/L，充电速率23c(2030分钟充电)。“目前液体电解质LIB的上限为800 Wh/L”(IMEC)，新型全固态电池将在不久的将来突破这一上限。这种一开始是液体，然后凝固的IMEC电池最大的特点是它的制造工艺(图2)。首先，形成与现有液体电解质11b相同的正电极。图2:电解质的固化IMEC电池制造过程(A)。首先，在集电器上形成阴极材料。此时，将其浸入作为电解质前体的液体材料中并固化，然后在固化后形成负极层。不同于传统的固体电解质，在某种程度上使用部分现有的LIB制造设备(B)更有优势(图:IMEC)。接下来，将液体电解质浸渍到阴极材料中。这和传统工艺是一样的。不同的是，它被干燥以固化电解质，然后形成负电极。因此，只需稍微改变现有的液体电解质LIB制造设备，就可以用于大规模生产。事实上，IMEC几乎已经解决了难以大规模生产全固态电池的问题。根据其计划，容量为5Ah的A4尺寸电池的样品试制已于2019年年中开始。因为电解液作为初始液体已经渗透到电极的各个角落，所以全固态电池不太可能出现“电极与固体电解质接触面积小，界面电阻非常高”的问题。此外，电解质即使在固化后也是弹性的，并且可以吸收伴随充电和放电的电极中活性材料的膨胀和收缩。耐高压耐高温，除了能量密度高，电池还有两个优点(图2(b))。一个是电解质材料的电势窗口的宽度相对于金属Li的负电极约为5.5V。这意味着可以使用更高电位的阴极材料，并且有大幅提高能量密度的空间。在体积能量密度为425Wh/L的当前条件下，使用电位略低约3.5V的LFP作为正极活性材料。如果使用相同的5.5V正极活性材料，仅通过这一点(计算值注1)就可以将体积能量密度提高到约1000wh/L。注1)IMEC表示为了实现1000 Wh /L的体积能量密度，将一次性发展以下步骤来实现(1)使用高电位材料(NMC、NCA等。)用于汽车电池作为正极活性材料，(2)优化电极结构，(3)降低电解质层厚度。另一个优点是耐高温。可以在高达320°C的温度下使用，所以可以直接省略目前LIB电池所必需的冷却系统。因此，即使在当前425Wh /L的水平下将电池组装成电池组盒，电池组的体积能量密度也可以是当前用于车辆的LIB的两倍。当然，这也是其他全固态电池可以做到的。硫化物的离子电导率与硫化物相当。目前，固体电解质的锂离子电导率……IMEC使用的电解质在室温下为1m～10mS/cm。10mS/cm是液体电解质离子电导率的标准值，也与东京工业大学和丰田汽车公司开发的硫化物基材料“LGPS”的离子电导率一致。此外，IMEC的目标是在不久的将来将其提高10倍，达到100毫秒/厘米(室温)。Lgps =组成为Li10GEP2S12的硫醚化合物。东京工业大学教授健野的实验室和丰田汽车是2011年开发的。锂离子的电导率高达11 mS/cm，导致全固态电池成为关注的焦点。这种固体电解质有什么特点？事实上，主要成分是二氧化硅。换句话说，它是一种常见的氧化物材料。但它有1400m2/g的超高比表面积，内壁结合锂盐称为离子液体。制造过程总结如下(图3)。首先，将一种名为TEOS的硅基材料分散在离子液体中，加入水(水解)形成凝胶。脱水后，使用CO2进行超临界干燥。然后就变成了一种非常轻的海绵状固体材料，叫做“气凝胶”。这就是上述电解质由液态变为固态的过程。图3更详细的氧化物材料和离子液体混合物的IMEC电解质制造过程:离子液体与硅基材料的TEOS(正硅酸四乙酯)混合后，通过加水等使其凝胶化。，然后去除水分。此外，在CO2气氛下进行超临界干燥，形成以二氧化硅为主要成分的多孔材料。因为离子液体被束缚在空穴的表面，所以增强了Li离子的导电性。TEOS(原硅酸四乙酯)=硅基化合物，化学式为Si(OC2H5)4。气凝胶的生产通常采用溶胶-凝胶法和超临界干燥法。超临界干燥=用超临界状态的CO2置换物料中的液体。超临界状态是一种无法区分气相和液相的状态，是通过使物质达到一定的温度，施加一定的压力而产生的。通常使用CO2，因为它在31.1℃的相对低的温度和约72.8个大气压的压力下具有低粘度。从TEOS生产气凝胶是一项历史悠久的技术，已有80多年的历史。这次不同的是先混合离子液体。混合是隐藏的原因吗？当前的任务是实现快速充电。虽然全固态电池通常在快速充电方面更胜一筹，但IMEC电池的特性目前与液体电解质LIB相同或略低。而且当充放电倍率超过0.5C时，容量迅速下降。虽然IMEC没有透露原因，但可以推断出一些原因。一种是固体电解质实际上是和离子液体的混合物。在许多液体电解质中，当施加高于某一水平的电压时，离子电导率显著降低，并且产热迅速增加。另一方面，许多固体电解质没有这样明确的电压阈值。这也是它被称为“锂离子高速公路”(研究员)的原因之一。固体电解质的这种性质可能会因混合而丧失。树突严重吗？另一个原因可能是金属Li负极表面形成的枝晶是充放电的限制因素。事实上，IMEC并没有透露试制电池的充放电循环寿命。不过，IMEC也表示将在五年内实现2~3 C快充。2019年3月，该公司公布了其中一项技术(图4)。它是一种“纳米网状电极”(IMEC)，具有常规的空气间隙，最小尺寸约为50nm，非常小，具有多孔性和柔性的特点。“以这种方式，即使在快速充电期间，也可以抑制金属Li负电极的枝晶”(IMEC)，然而，原因的细节没有公开。图4:树枝状通过秘密武器压制李负极，2019年3月宣布推出“纳米网状”电极。虽然电极非常多孔，但与海绵不同，其空气间隙以非常规则的结构排列。最小尺寸约为50纳米。如果使用这种电极，即使在使用金属Li负电极的电池中重复快速充电和放电，也可以抑制枝晶。(图片和照片:IMEC)这种由纳米技术模板制成的特殊电极的制造过程被称为模板纳米技术。Sp……具体地说，首先，电极的金属沉积在由多孔材料制成的“模具”中以形成薄膜。接下来，通过蚀刻溶解多孔材料。IMEC说它“容易制造”。锡尔特大学的电池生产线(摄影:IMEC)可以用来制造A4大小的IMEC全固态电池。最近出现了一种新型的全固态电池，实现了低成本、大容量，有可能提前实现固态电池的商业化。这种电池是由比利时微电子研究中心(IMEC)开发的。据悉，日本松下也参与了电解质材料的开发。2019年6月，IMEC宣布开发出体积能量密度高达425 Wh/L的固体电解质锂离子二次电池(LIB)(图1)。它使用磷酸铁锂:LFP作为正极活性材料，金属锂作为负极活性材料。图1:2024年能否达到1000Wh/L？图中显示了使用液体电解质的现有锂离子二次电池(LIB)和IMEC开发的全固态电池的体积能量密度的变化。如果没有重大突破，液态电解质LIB有望成为天花板。另一方面，IMEC的能量密度在过去一年翻了一番，在未来五年将达到1000瓦时/升。(图:IMEC)作为液体电解质LIB电池，一般在400Wh/L以上，这是一个常见的水平，实验室也有一些例子达到了700 W h/L，但是IMEC据说2024年以后可以做到1000Wh/L，充电速率23c(2030分钟充电)。“目前液体电解质LIB的上限为800 Wh/L”(IMEC)，新型全固态电池将在不久的将来突破这一上限。这种一开始是液体，然后凝固的IMEC电池最大的特点是它的制造工艺(图2)。首先，形成与现有液体电解质11b相同的正电极。图2:电解质的固化IMEC电池制造过程(A)。首先，在集电器上形成阴极材料。此时，将其浸入作为电解质前体的液体材料中并固化，然后在固化后形成负极层。不同于传统的固体电解质，在某种程度上使用部分现有的LIB制造设备(B)更有优势(图:IMEC)。接下来，将液体电解质浸渍到阴极材料中。这和传统工艺是一样的。不同的是，它被干燥以固化电解质，然后形成负电极。因此，只需稍微改变现有的液体电解质LIB制造设备，就可以用于大规模生产。事实上，IMEC几乎已经解决了难以大规模生产全固态电池的问题。根据其计划，容量为5Ah的A4尺寸电池的样品试制已于2019年年中开始。因为电解液作为初始液体已经渗透到电极的各个角落，所以全固态电池不太可能出现“电极与固体电解质接触面积小，界面电阻非常高”的问题。此外，电解质即使在固化后也是弹性的，并且可以吸收伴随充电和放电的电极中活性材料的膨胀和收缩。耐高压耐高温，除了能量密度高，电池还有两个优点(图2(b))。一个是电解质材料的电势窗口的宽度相对于金属Li的负电极约为5.5V。这意味着可以使用更高电位的阴极材料，并且有大幅提高能量密度的空间。在体积能量密度为425Wh/L的当前条件下，使用电位略低约3.5V的LFP作为正极活性材料。如果使用相同的5.5V正极活性材料，仅通过这一点(计算值注1)就可以将体积能量密度提高到约1000wh/L。注1)IMEC表示为了实现1000 Wh /L的体积能量密度，将一次性发展以下步骤来实现(1)使用高电位材料(NMC、NCA等。)用于汽车电池作为正极活性材料，(2)优化电极结构，(3)降低电解质层厚度。另一个优点是耐高温。可以在高达320°C的温度下使用，所以可以直接省略目前LIB电池所必需的冷却系统。因此，即使电池被组装成……电池组箱在目前425Wh /L的水平下，电池组的体积能量密度可以是目前LIB的两倍，用于车辆。当然，这也是其他全固态电池可以做到的。硫化物的离子电导率与硫化物相当。目前，IMEC使用的固体电解质的锂离子电导率在室温下为1m～10mS/cm。10mS/cm是液体电解质离子电导率的标准值，也与东京工业大学和丰田汽车公司开发的硫化物基材料“LGPS”的离子电导率一致。此外，IMEC的目标是在不久的将来将其提高10倍，达到100毫秒/厘米(室温)。Lgps =组成为Li10GEP2S12的硫醚化合物。东京工业大学教授健野的实验室和丰田汽车是2011年开发的。锂离子的电导率高达11 mS/cm，导致全固态电池成为关注的焦点。这种固体电解质有什么特点？事实上，主要成分是二氧化硅。换句话说，它是一种常见的氧化物材料。但它有1400m2/g的超高比表面积，内壁结合锂盐称为离子液体。制造过程总结如下(图3)。首先，将一种名为TEOS的硅基材料分散在离子液体中，加入水(水解)形成凝胶。脱水后，使用CO2进行超临界干燥。然后就变成了一种非常轻的海绵状固体材料，叫做“气凝胶”。这就是上述电解质由液态变为固态的过程。图3更详细的氧化物材料和离子液体混合物的IMEC电解质制造过程:离子液体与硅基材料的TEOS(正硅酸四乙酯)混合后，通过加水等使其凝胶化。，然后去除水分。此外，在CO2气氛下进行超临界干燥，形成以二氧化硅为主要成分的多孔材料。因为离子液体被束缚在空穴的表面，所以增强了Li离子的导电性。TEOS(原硅酸四乙酯)=硅基化合物，化学式为Si(OC2H5)4。气凝胶的生产通常采用溶胶-凝胶法和超临界干燥法。超临界干燥=用超临界状态的CO2置换物料中的液体。超临界状态是一种无法区分气相和液相的状态，是通过使物质达到一定的温度，施加一定的压力而产生的。通常使用CO2，因为它在31.1℃的相对低的温度和约72.8个大气压的压力下具有低粘度。从TEOS生产气凝胶是一项历史悠久的技术，已有80多年的历史。这次不同的是先混合离子液体。混合是隐藏的原因吗？当前的任务是实现快速充电。虽然全固态电池通常在快速充电方面更胜一筹，但IMEC电池的特性目前与液体电解质LIB相同或略低。而且当充放电倍率超过0.5C时，容量迅速下降。虽然IMEC没有透露原因，但可以推断出一些原因。一种是固体电解质实际上是和离子液体的混合物。在许多液体电解质中，当施加高于某一水平的电压时，离子电导率显著降低，并且产热迅速增加。另一方面，许多固体电解质没有这样明确的电压阈值。这也是它被称为“锂离子高速公路”(研究员)的原因之一。固体电解质的这种性质可能会因混合而丧失。树突严重吗？另一个原因可能是金属Li负极表面形成的枝晶是充放电的限制因素。事实上，IMEC并没有透露试制电池的充放电循环寿命。不过，IMEC也表示将在五年内实现2~3 C快充。2019年3月，该公司公布了其中一项技术(图4)。它是一种“纳米网状电极”(IMEC)，具有常规的空气间隙，最小尺寸约为50nm，非常小，具有多孔性和柔性的特点。“以这种方式，即使在快速充电期间，也可以抑制金属Li负电极的枝晶”(IMEC)，然而，原因的细节没有公开。图4:树枝状通过秘密武器压制李负极，2019年3月宣布推出“纳米网状”电极。虽然电极非常多孔，但与海绵不同，其空气间隙以非常规则的结构排列。Th……最小尺寸约为50纳米。如果使用这种电极，即使在使用金属Li负电极的电池中重复快速充电和放电，也可以抑制枝晶。(图片和照片:IMEC)这种由纳米技术模板制成的特殊电极的制造过程被称为模板纳米技术。具体地说，首先，电极的金属沉积在由多孔材料制成的“模具”中以形成薄膜。接下来，通过蚀刻溶解多孔材料。IMEC说它“容易制造”。锡尔特大学的电池生产线(摄影:IMEC)可以用来制造A4大小的IMEC全固态电池。

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