Honeycomb Energy-Chen Shaojie: Desafíos y reflexiones sobre la investigación y el desarrollo de la tecnología de baterías de litio de estado sólido
Chen Shaojie, director de I+D de baterías de estado sólido de Honeycomb Energy Technology Co., Ltd., asistió al foro y pronunció un discurso de apertura: "Desafíos y reflexiones sobre la I+D de litio de estado sólido". Tecnología de baterías."
La siguiente es la transcripción del discurso:
¡Buenos días expertos y profesores! Es un honor para mí tener esta oportunidad de compartir y comunicarme con ustedes. Debido a que trabajé en la Academia de Ciencias de China durante mucho tiempo y luego me uní a Hive, les informaré en función de mi experiencia laboral en estas dos unidades de trabajo.
Primero, una introducción general.
Las baterías de estado sólido tienen varias ventajas principales:
1. Los electrolitos sólidos reemplazan a los electrolitos inflamables y explosivos, por lo que son relativamente seguras.
2. La falta de fluidez del electrolito sólido puede generar un aumento de voltaje en serie dentro del núcleo de la batería. Por un lado, puede reducir el costo de empaque del núcleo de la batería y, por otro lado, puede reducir el costo de empaquetamiento del núcleo de la batería. puede aumentar la densidad de energía del volumen.
3. Debido a que es relativamente seguro, el sistema de enfriamiento se puede omitir o usar menos a nivel de paquete, mejorando aún más la utilización del espacio. También se considera que puede combinar materiales catódicos de mayor voltaje, lo que hace posibles electrodos negativos de metal litio.
Debido a estas ventajas, ha llevado a cabo una extensa investigación técnica en el país y en el extranjero. En cuanto a tecnología totalmente de estado sólido, las empresas más representativas son Toyota y Samsung.
A juzgar por la tendencia de las solicitudes de patentes, de hecho, Europa y Estados Unidos han sido los primeros en solicitar electrolitos poliméricos desde los años 1970. Desde el año 2000, los materiales electrolíticos sólidos inorgánicos se han utilizado a gran escala, principalmente en Japón.
Mi país no solicitó electrolitos sólidos inorgánicos a gran escala hasta 2010, y también ha mostrado un crecimiento explosivo en los últimos años, lo que demuestra la popularidad de la tecnología.
La industria también tiene un gran entusiasmo y preocupación por esta tecnología. Algunas empresas muy famosas y grandes, incluidas Toyota, Volkswagen, Ford, BMW, Mercedes Benz, etc. , ha invertido y desplegado esta tecnología. Toyota planea exhibir el prototipo, que utiliza una batería de estado sólido, en los Juegos Olímpicos de Tokio de este mes.
Mirando en retrospectiva, existen muchos tipos de electrolitos sólidos, y existen tres intentos de industrialización: sulfuros, óxidos y polímeros.
En términos de conductividad a temperatura ambiente, los sulfuros son más altos, seguidos de los óxidos, y los polímeros son los más bajos.
Batería totalmente en estado sólido de electrolito polimérico.
El polímero más típico es el PEO. Generalmente se cree que los átomos de oxígeno y los iones de litio están complejados, disociados y complejados para conducir la electricidad. El PEO tiene un grado relativamente alto de cristalinidad, por lo que su volumen de libre movimiento a temperatura ambiente es relativamente pequeño y su conductividad suele ser relativamente baja, sólo menos 6 veces 10.
Un método de modificación común es agregar rellenos inorgánicos, incluidos conductores de iones rápidos que conducen iones y rellenos inertes que no conducen iones.
Al introducir dieléctricos inorgánicos, se pueden lograr dos beneficios:
(1) El número de migración de iones de litio se puede aumentar utilizando la teoría ácido-base de Lewis.
(2) La formación de un centro de reticulación reduce la limpieza del PEO y mejora la conductividad y las propiedades mecánicas.
Se han realizado muchas investigaciones en esta área anteriormente. En términos generales, la conductividad puede alcanzar menos cuatro nivel 10.
Además de los compuestos inorgánicos, también se puede modificar a través del nivel de diseño de la estructura molecular, y curar térmicamente o fotopolimerizar mediante reticulación, injerto, polimerización, etc. Desafortunadamente, la conductividad todavía no supera el -3 de 10, especialmente a temperatura ambiente.
Hemos realizado un trabajo en la verificación de prototipos de baterías de litio poliméricas totalmente en estado sólido. Pequeños monómeros se recubren directamente sobre la superficie de la pieza del electrodo de fosfato de hierro y litio y se curan con luz o calor para construir una estructura integrada del electrodo positivo y el electrolito para reducir la impedancia de la interfaz.
Desafortunadamente, la conductividad del electrolito es relativamente baja y las baterías flexibles solo pueden tener un mejor rendimiento por debajo de los 60 grados. Aprovechando aún más la falta de fluidez del polímero, se verificó y realizó la estructura interna en tándem. De hecho, es posible lograr un impulso interno en un paquete y en un paquete de celdas de batería.
En términos de industrialización, ha intervenido la débil tecnología del rayo, incluidos 3.000 taxis, y su reciente aplicación en Mercedes-Benz y autobuses eléctricos Mercedes-Benz. Los métodos de producción que utilizan son principalmente la extrusión y la producción por lotes rollo a rollo.
Toda la unidad de batería utiliza fosfato de hierro y litio como electrodo positivo, PEO como electrolito y litio metálico como electrodo negativo. Todo el módulo de batería no requiere un sistema de enfriamiento y toda la celda de la batería solo puede funcionar a 60-80 grados. De hecho, a esta temperatura el polímero está en estado fundido y por tanto carece de cierta resistencia mecánica. Recientemente fue retirado del mercado debido a algunos incidentes de cortocircuito de aislamiento.
En general, la ventaja de los polímeros radica en su diseño de estructura molecular flexible y su gran espacio para la imaginación. Además, su proceso es relativamente sencillo y tiene buena compatibilidad y estabilidad.
El desafío es que el rendimiento del transporte de iones de litio no es lo suficientemente alto, especialmente la ventana estrecha, y todavía existen algunos problemas en la comprensión básica del mecanismo de transporte de iones de litio, la dinámica y las propiedades macroscópicas.
Batería totalmente de estado sólido con sistema de electrolito de óxido.
Aquí hay muchos expertos. Por favor corríjame si me equivoco. Los principales tipos de óxidos son la perovskita, NASICON y el granate.
El representante típico del tipo perovskita es el LLTO, que suele tener una alta conductividad iónica, pero su desventaja es que es inestable en contacto con el litio metálico y puede reducir el titanio tetravalente a titanio trivalente.
Los representantes típicos de Naxicam son LATP y LAGP. Por lo general, la conductividad es sólo menos 4 veces de 10, pero tiene buena estabilidad, ventana electroquímica amplia y gravedad específica del polvo relativamente ligera. Sus deficiencias también son obvias: la conductividad es relativamente baja, el electrolito cerámico es débil e inflexible y es inestable al litio.
LLZO es un tipo típico de granate con alta conductividad, hasta menos 3 veces de 10, y una amplia ventana electroquímica. Sin embargo, el precio de síntesis es relativamente alto y la gravedad específica es relativamente grande, las escamas son relativamente quebradizas y habrá algunas reacciones secundarias en el aire.
Honeycomb Energy acumuló óxidos, incluidos polvos y escamas de cerámica, y realizó las investigaciones correspondientes. Se ha trabajado en la verificación de baterías de óxido de litio en estado sólido, utilizando láminas cerámicas LAGP como separador de electrolitos, fosfato de hierro y litio como electrodo positivo, litio metálico como electrodo negativo y protección PEO.
Toda la batería tiene un ciclo muy bueno a una temperatura de funcionamiento de 60 grados, pero es un gran desafío técnico adelgazar las láminas cerámicas y reducir la gravedad específica.
En términos de industrialización, gran parte de la investigación sobre los óxidos se realiza principalmente en Japón y Corea del Sur, principalmente porque tienen algunas aplicaciones de baterías de estado sólido en microdispositivos, incluidos sensores y chips de computadora.
Por supuesto, TDL también utiliza métodos compuestos orgánicos e inorgánicos para fabricar baterías blandas, y también puede fabricar baterías blandas de 2 amperios y 4 amperios hora, pero las baterías deben trabajar en un ambiente de temperatura relativamente alta.
La imagen de la derecha muestra la tecnología Quantum Scape que fue muy popular hace algún tiempo. El núcleo de la tecnología es hacer que la lámina de cerámica sea delgada y básicamente flexible, de modo que la celda única muestre un rendimiento de batería muy bueno.
Creo que todavía es difícil fabricar baterías más grandes, por lo que la estabilidad del óxido es una muy buena ventaja en general. Los desafíos que enfrentan son la baja conductividad a temperatura ambiente, el gran tamaño específico de las partículas, la mala formación de películas, algunas piezas son sensibles al aire y la tecnología de apilamiento es difícil.
Batería totalmente de estado sólido con sistema de electrolito de sulfuro.
Los electrolitos de sulfuro tienen sistemas azufre-litio, que suelen dividirse en sistemas ternarios y sistemas binarios.
1, ternario.
Además del sulfuro de litio y el pentasulfuro de fósforo, se puede introducir un tercer componente, normalmente sulfuro de germanio, sulfuro de silicio, sulfuro de estaño y sulfuro de aluminio, para construir canales iónicos tridimensionales con alta conductividad.
Sin embargo, materiales como el sulfuro de germanio y el sulfuro de silicio son muy caros, cuestan entre 400 y 500 yuanes el gramo, y muchas empresas han detenido la producción debido a problemas de almacenamiento, por lo que personalmente creo que si quieren industrializados, el coste de estos materiales debe ser controlado puede ser un gran desafío.
2.
Como sugiere el nombre, el sistema binario utiliza dos materias primas: sulfuro de litio y pentasulfuro de fósforo. El sulfuro de litio representa más del 70% o incluso el 90% del costo del electrolito de sulfuro. Puede pensar en cómo reducir la cantidad de sulfuro de litio para controlar aún más los costos.
3. Mineral de sulfuro de plata-germanio.
El ejemplo más típico es el hexafosfato de litio y azufre utilizado en los informes públicos de Samsung e Hitachi Zosen.
En cuanto a los métodos de preparación, suelen existir el método de molienda de bolas, el método de extracción por fusión, el método en fase líquida y el más reciente método en fase gaseosa.
Creo que estos son buenos avances que pueden reducir aún más los costos del proceso de producción en masa.
Por último, me gustaría mencionar la optimización de la síntesis de sulfuro de litio. De hecho, debido a que no se ha formado toda la cadena industrial, la gente no ha prestado mucha atención al esquema de síntesis del sulfuro de fósforo. De hecho, existen muchas opciones de síntesis de sulfuro de litio.
Desde la perspectiva de reducir el costo de los materiales electrolíticos, por un lado, el plan de síntesis de la materia prima sulfuro de litio se puede optimizar para lograr una producción a gran escala, que se puede lograr con menos de 9.000 yuanes por kilogramo. Además, combinado con la optimización del diseño de la composición de electrolitos, el costo se puede reducir a menos de 5.000 yuanes por kilogramo y el efecto de escala se puede reducir aún más a menos de 6.543.800 yuanes por tonelada. Ésta es la idea del control de costes.
Por supuesto que hay estabilidad. Todos decimos que el sulfuro es inestable. En el proceso de producción real, tenemos que afrontar la estabilidad del disolvente, incluida la estabilidad de la sala de secado.
Nuestro trabajo anterior demostró que se puede mejorar hasta cierto punto eligiendo disolventes no polares y elementos dopantes.
En cuanto a la estabilidad del litio, el sistema binario es más estable que el sistema ternario porque es una reacción reversible. Además, mediante la modificación del material, como el sistema de dopaje 314 con yoduro de aluminio, la estabilidad también se puede mejorar significativamente, mientras que mediante la modificación de la interfaz, incluida la protección del metal de litio, etc. , y se pueden realizar las modificaciones correspondientes.
En términos de industrialización, se ha informado ampliamente sobre la energía sólida, utilizando métodos tradicionales de preparación de baterías de litio. Según ellos, redujeron todos los equipos y espacio para inyección, moldeo y escape, y los costos calculados se pueden reducir en un 34%.
Debido a que las baterías de estado sólido son relativamente seguras, no hay necesidad de un sistema de enfriamiento en el nivel del paquete de baterías, que se puede reducir en un 9%. Toda la celda de la batería adopta la serie ternaria NMC con alto contenido de níquel, el electrodo negativo es un electrodo negativo con alto contenido de silicio y litio metálico, y el electrolito es sulfuro.
Su hoja de ruta prevista para este año es de 340 WHr/kg y 720 WHr/L. La producción en masa está prevista para 2026. Se cree que el litio metálico estará disponible más tarde de 2026.
La mayor ventaja del sulfuro es su alta conductividad a temperatura ambiente y su suavidad. El desafío es la mala estabilidad. Esto es realmente difícil y la tecnología de ingeniería es muy difícil.
Otro punto que a menudo se pasa por alto es que las baterías de estado sólido requieren presión de retención externa durante el funcionamiento. En la actualidad, nuestra investigación nacional en esta área está relativamente en blanco, pero Japón ha propuesto soluciones de diferentes dimensiones de baterías, módulos y PACK para nuestra referencia.
A continuación, me gustaría informarles del progreso de la energía celular totalmente en estado sólido. Primero, desarrollamos un material electrolítico que puede mantener una conductividad del 96 % en dos horas en una cámara de secado y ha desarrollado una capacidad de 100 gramos.
Además, también fabricamos un electrodo positivo y desarrollamos una pieza de electrodo positivo con 4 mAh por centímetro cuadrado. Al cargar y descargar a 0,1 ° C a temperatura ambiente, el primer efecto puede alcanzar el 96,3% y el número de clones puede llegar a 220. Esta tasa de 0,1C está completamente cerca del nivel de líquido actual.
Desde la perspectiva de la circulación, elegimos una proporción de 1/3 C. Desde esta perspectiva, actualmente podemos tener mejores ciclos, pero desde la perspectiva de la ampliación, realmente debemos centrarnos en el siguiente paso. .
Al mismo tiempo, también queremos hacer la pieza del electrodo más gruesa para convertirla en un electrodo con un espesor de 5 mAh por centímetro cuadrado. Desafortunadamente, el primer efecto ha disminuido y se pierde la capacidad específica. Este es el siguiente rompecabezas a resolver.
En cuanto a la membrana de electrolito, también utilizamos un recubrimiento húmedo y el espesor puede alcanzar entre 20 y 30 micrones a temperatura ambiente, lo que se acerca básicamente a los datos informados por Samsung. Honeycomb Energy ha acumulado experiencia en tecnología de materiales, componentes, dispositivos, pruebas, etc., y también ha solicitado 54 patentes.
Actualmente estamos desarrollando baterías de litio totalmente sólidas de clase AH. El ánodo está hecho de material ternario con alto contenido de níquel, el cátodo está hecho principalmente de material de aleación a base de silicio y el electrolito y la membrana del electrolito los desarrollamos de forma independiente. La densidad energética puede alcanzar los 320 WHr/kg y la seguridad está totalmente garantizada. También pasó por acupuntura y algunas demostraciones de cortes y quemaduras.
Cuarto, resumen y perspectivas.
Los óxidos, polímeros y sulfuros tienen sus propias ventajas y desventajas. Creemos que la innovación y los avances en electrolitos sólidos de materiales clave son la clave para acelerar la aplicación de la tecnología totalmente de estado sólido. También estamos entusiasmados de ver la aparición de nuevos materiales, como los haluros, que nos brindarán más opciones.
Además de los materiales, también es necesario resolver problemas a nivel de procesamiento, que incluyen principalmente cuatro aspectos:
(1) Control mejorado de materiales e interfaces.
(2) Abordar los desafíos y costos de procesamiento.
(3) Más allá del rendimiento de las baterías avanzadas de iones de litio.
(4) Mantenga la presión de apilamiento óptima de los paquetes de baterías de estado sólido sin afectar el costo ni la densidad de energía.
Creemos que las baterías totalmente de estado sólido para productos de consumo 3C, baterías especiales y otras necesidades de aplicaciones se implementarán en poco tiempo. De hecho, ya se han implementado en el campo aeroespacial japonés. -Las baterías de estado sólido deben igualar el rendimiento y el coste de los vehículos eléctricos y la capacidad de fabricación puede llevar más tiempo.
Como empresa cuyo objetivo es avanzar a través de la innovación y construir una gran empresa, Hive Energy está dispuesta a seguir prestando atención al desarrollo de esta tecnología. ¡Gracias a todos!