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固态电池，牛津大学Nature Energy！

学术   2024-12-17 11:45   河南  



研究背景


与锂离子电池（LIBs）相比，锂金属电池（LMBs）具有更高的体积和重量能量密度。在液态电解质中常见的树枝状锂沉积和电池短路问题，固体电解质（SEs）理论上可以抑制树枝状锂的形成，使LMBs达到汽车行业所期望的高碳率和体积能量密度（1000Wh·l-1）。虽然零锂过量配置理论上极具吸引力，但充电过程中锂的不均匀沉积会导致活性锂的损失和库仑效率的下降。因此，目前需要过量锂，但这会对能量密度产生负面影响，因此控制锂的厚度至关重要。


研究成果


近日，英国牛津大学Mauro Pasta探讨了实现大规模生产（可以扩大到千兆工厂生产）所需薄锂薄膜的各种技术的可行性，并认为热蒸发是解决这些挑战的一种潜在的、具有成本效益的途径。对使用该工艺制造薄而致密的锂金属箔的预计成本进行了技术经济评估，并估算了使用热蒸发锂箔制成的固态电池组的成本。相关研究工作以“Techno-economic assessment of thin lithium metal anodes for solid-state batteries”为题发表在国际顶级期刊《Nature Energy》上。


研究内容


研究者以阳极厚度为变量，计算了体积能量密度，以确定实现1000Wh·l-1能量密度的锂金属阳极的最大允许厚度。然后，研究者对锂的生产技术进行了分析，以确定大规模生产最有前景的候选技术，并进行了技术经济评估，以估算相关的生产成本。最后，探讨了实施大规模生产所面临的关键科技挑战。
图1. 固态电池中锂金属阳极厚度分析
图2. 锂金属阳极商业上最可行生产方法的示意图
图3. 制造（1.2m）和可能（3.0m）R2R沉积基板宽度的比较
图4. 不同生产成本对生产成本和成本比例的影响
图5. 纯锂和17µm锂金属阳极生产成本的电价的综合影响
图6. 热蒸发锂金属阳极生产成本的全球技术经济分析
图7. 液态和固态电池的原材料和组装成本


结论与展望


计算表明，为了实现1000Wh·l-1的能量密度和5.4mAh·cm-1的面容量，允许锂过量≤17µm，同时在1250次循环后保持75%的容量，需要CE≥99.929%。尽管存在许多制造锂薄膜的技术，但挤压加轧制等技术无法生产出所需厚度的均匀薄膜，而原子层沉积（ALD）等技术在制造几微米厚的薄膜时成本和生产率过高。因此，热蒸发技术成为制造~17µm锂薄膜最有前景的技术。
技术经济评估显示，在西欧能源价格下，这种厚度的锂金属阳极的制造成本为US$4.30m−2，相当于US$24.2kWh-1的阳极成本（而传统石墨阳极的成本约为US$12kWh-1）。通过在能源和劳动力成本较低的国家生产，有望进一步降低成本。综合考虑SE和阳极成本后，固态电池的总成本为US$158kWh−1，而液态电池的成本为US$126kWh−1。虽然这表明固态电池的制造成本溢价，但考虑到快速充电、高能量密度和提升安全性的潜在优势，成本增加是合理的。
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