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其一,固固界面带来的挑战。这包括正负极和隔膜之间的接触,活性材料之间的接触以及膨胀收缩带来的接触问题。硫化物电解质与电极之间形成的固固界面电阻更高,可能会阻碍锂离子的传导,固态电解质薄也容易产生裂纹和缺陷,导致阻抗增加和容量衰减。
其二,枝晶和极化问题。固态介质和固固界面导致材料的兼容性差,尤其对于金属锂的稳定性不足,固态电池在充电过程中容易出现不均匀沉积的现象,进而导致枝晶产生,破坏固态电池内部结构;在放电过程中,由于锂扩散缓慢,则容易出现空穴和极化现象,进而影响电池性能和使用寿命。
其三,固态电解质的空气稳定性和成本问题。硫化物固态电解质与空气中的水分子接触后容易发生化学反映,从而造成电解质损失,电池性能下降;在成本方面,目前硫化物固态电解质成本超过4万元/吨,远高于当前主流市场所采用的电解液成本。
其四,核心工艺匹配和设备的问题。当前,固态电池面临湿法工艺存在电性能衰减问题,干法工艺则存在膜片分散性、均匀性的问题,总体上固态电池制造工艺并不成熟;由于合成工艺复杂,对设备和环境的要求极高,如高温还原法需要在高温下进行,不仅对设备要求高,且容易产生有害气体;同时,电芯高效致密化成型上同样面临挑战,固态电池电芯内部存在孔隙缺陷,致密度低,极片边缘受压导致搭载短路。
不过,根据吴凯的表态,宁德时代已在 10Ah 的样品阶段找到了解决这些难题的思路。
比如,针对正负极和电解质的固固界面问题,宁德时代通过单晶正极多层级全包覆技术,提升了界面结构稳定性,这种包覆使得电解质在-40℃的露点环境下仍能保持稳定。正负极和固态电解质的接触界面依靠自研的梯度设计的多功能复合粘结剂构筑高效稳定的极片导电网络,加快离子的流动性,提升导电率。此外,为了让固态电解质与固体正负极接触更紧密,宁德时代目前的研发设备能给电池均匀施加 500Mpa的压力,这是马里亚纳海沟最深处压力的 5 倍,能够将正负极材料更紧密地挤压到一起。在解决锂枝晶问题方面,通过锂金属负极相变自填充技术,采用可以灵活改变体积性状的材料自动填充可能滋长锂枝晶的缝隙,同时用合金金属改变正负极表面的亲锂性,从而让锂均匀沉淀在表面,增强电解质结构,抑制锂枝晶的生长。在制备环境方面,宁德时代已将硫化物电解质的制备环境从行业普遍的-60℃ 露点提升至-40℃ 露点的环境。通过可逆双亲性分子疏水层设计以提高空气稳定性,同时开发了新型材料合成路线和低锂含量材料以降低成本。除了对材料的改进,宁德时代也在干法电极、等静压一体成型等制造技术上取得了一定的突破。
10月23日,大众汽车集团投资的 QuantumScape 发布消息称,已开始小批量生产其首批容量为 5 Ah 的 B 样品无阳极固态锂金属电池QSE-5 B,用于汽车行业的客户进行测试。
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