日本团队将全固态电池容量提高至世界最高水平,锂离子电导率可提升 3.8 倍,将带来哪些影响?

- 14 个点赞 👍被审核的答案
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合订本爱好者 - 323 个点赞 👍
这种世界纪录隔不了几个月就会更新一次,不要说上一个了,上十个纪录肯定都还没有实现商品化。原因也不复杂,这些花式炫技发表论文到成本可控的规模化生产之间,还隔着十个宁德时代和BYD。
发布于 2023-07-17 11:09・IP 属地四川查看全文>>
beholder - 78 个点赞 👍
日本在新能源汽车这个领域,销量不高, 但总能搞大新闻。 之前说抛弃电车, 要搞氢能, 最后丰田的CEO都辞职了, 现在又回来弄电车,但没做多久就宣布要2025年量产固态电池的电动车。
文章本身是一个很有意义的工作,也是新能源汽车都在关注的一个重点方向。
先说下技术背景。电动车最核心的部件就是动力电池,其成本占据到了整车的40%。市场上现在主流的电池是液态电池,或者半固态电池, 这些电池目前有三个技术难点,续航时间与用户期待之间的差距, 电池自燃的潜在安全问题, 以及较长的充电时长。
而固态电池是没有电解液的一种使用固体电极和固体电解质的电池。正因为固体电解质是不易燃的,所以这个安全性就大幅提高了。另外因为更高的能量密度, 续航里程也会有明显提高。 所以这是一项很有意义的研究。
液态 vs 固态锂电池 但是,如何将这个华丽的实验室数据落地, 需要一整套产业链的配合,导致产品落地离大规模商用还是有很远的距离。比如, Dyson 用9000万收购了美国的固态电池公司Sakti3,进而造出了续航965公里 的固态电池电动车, 但是售价超20万美元。 现阶段的固态电池的成本大概是液态电池的十倍。
Dyson全固态电池电动车 Dyson全固态电池 固态电池是电动车行业的大势所趋,但是需要全产业链的配合,来优化成本,希望我国继续电动车的领先势头,继续在这方面走在前列。
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编辑于 2023-07-19 00:37・IP 属地北京真诚赞赏,手留余香还没有人赞赏,快来当第一个赞赏的人吧!查看全文>>
黄河边儿 - 42 个点赞 👍
本人就是全固态电池方向研究生
这类问题能上热搜很意外,看了一下大部分回答都并没有真正理解固态电池,有个高赞对于固态电解质的科普错误挺多,哎。
首先我怎么看待这篇Science?
一个很有意义的工作。在全固态电池领域,日本绝对是领跑者,他们是世界上最早做这个的,比我们早十年。很多经典的硫化物固态电解质材料都是Kanno教授发明的(也就是这篇Science的作者),这篇文章确实很振奋人心,他们合成的高熵硫化物电解质电导率太高了,amazing,用在正极能发挥很大作用,把正极厚度能做很厚,从而更好提升电池能量密度。问题是成本(其中有贵金属元素Ge),合成工艺(元素种类非常多)能不能很好控制,性能能否稳定复现。
这两年固态电池领域的nature science发了好几篇了,这个领域是真的火
展开简单聊聊固态电池
1.为什么做全固态电池?
大家可以理解发展全固态电池的初衷就是为了把目前锂离子电池中的液态电解液替换掉,因为有机液态电解液易燃烧,而固态电解质热稳定,更安全!但是全是固态物质的电池各部分的接触肯定没有液态锂离子电池好,所以目前全固态电池仍然没有商业化。
But,随着这两年固态电池的火爆以及相关资本的投入,固态电池产业化进程大大加快。(虽然问题还是很多)
关于全固态电池未来的发展方向,下面这篇微信文章写的非常专业
2.目前全固态不能产业化的主要问题
首先是全固态电池在循环过程中需要大的外部压力保持内部组分间的良好接触,这样就需要额外的设备和装置,牺牲一部分能量密度。另外目前固态电池的循环寿命还远不及液态锂离子电池,这主要是正负极界面问题导致的。另外就是设备工艺问题,全固态电芯生产所需要的设备和液态锂离子电池相比差别很大,很多工艺比如干法电解质膜大批量生产工艺目前都还在探索。最后就是成本问题,设备成本初期很高,另外材料成本目前也是很高的,如果后面大批量生产可以逐步降低。
3.国内全固态电池进展
固态电池很火,国内资本涌入真的快。
目前固态电池技术,国内半固态技术(也就是固态得并不是跟彻底,还有少量液体)路线走在世界前列(卫蓝新能源,赣锋,清陶,台湾辉能),且已经装车和产业化生产了。全固态技术目前日本(丰田)和美国(solidpower,quantum公司)技术积累多。国内去年开始也有很多公司释放了全固态电池突破性进展。目前的全固态基本上是基于硫化物固态电解质体系,国内蜂巢能源,恩力固态,中汽创智,远景动力,马车动力,高能时代在这个方向上都有布局,蜂巢能源在去年更是报道做了20Ah的全固态电芯,能量密度高达350Wh/kg,但是循环寿命没有展示。总的来说,国内全固态电池技术还是相对薄弱。
新的技术在没有成功前总是备受质疑,目前全固态电池和钠离子电池作为液态锂离子电池的“后浪”,未来可期,我也希望自己能参与并见证全固态电池产业化的那一天!
编辑于 2023-07-19 07:20・IP 属地江苏查看全文>>
板砖 - 30 个点赞 👍
好多人的回答隔靴搔痒,提供了很高的情绪价值,但是…不太符合知乎遗风。
能在《科学》刊登的必定还是有很高学术价值,值得鼓励。
同时再次感慨…搞基础材料研究创新的人都太难了,价值短期内无法体现出来,显得也好无趣,固态电池反复放鸽子一方面在于材料创新太难了,另一方面在于没有很好的商业落地方式。。
我也并非固态电池领域专业人士,但尝试着做些梳理,其实研究核心在于尝试攻克固态电池电导率和界面阻抗这两个最核心的难题。
一句话简要版研究相关结论如下:固态电池在电解质和电极的良好接触方面仍存在挑战,进而限制了实际可使用电极的厚度,我们这项研究攻克了部分难题。
人话翻译就是:正负极之间原来是液体电解质厚度很大,换成固态物质之后,容易产生高界面阻抗,离子迁移困难,进而导致电解质厚度没法做的太厚。
① 固态电池碰到了啥难处?
固态电池电解质厚度只有10~100nm,液态不存在厚度问题;
固态电池电解质厚度10~100nm ② 为啥固态电解质搞得这么薄?
核心原因在于固态电解质导电率较低,如果液态导电率是1的话,那固态只有液态的万分之一(粗估)。所以我们要努力攻克固态电解质界面阻抗和导电率话题
③ 他们咋攻克的?
材料魔法,添加点东西,增加已知锂超离子导体的成分复杂性来消除离子迁移障碍。
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部分原文:
Solid electrolytes have been developed to allow solid-state batteries to compete with liquid electrolyte batteries, but there is still a challenge in ensuring good contact with the electrodes, which thus limits the thickness of electrodes that can be used in practice. Li et al. applied the principles of high-entropy materials to improve upon the properties of existing electrolytes through the sensible partial substitution of addition elements. The authors demonstrate the incorporation of their materials into a cathode structure, which provides the high ionic conductivity required for solid-state battery applications. —MSL
固体电解质已经被开发出来,可以让固态电池与液体电解质电池竞争,但在确保与电极的良好接触方面仍然存在挑战,从而限制了实际使用的电极厚度。运用高熵材料的原理,通过合理的部分替换添加元素来改善现有电解质的性能。作者展示了将他们的材料整合到阴极结构中,从而提供固态电池应用所需的高离子导电性。火星科学实验室。
No design rules have yet been established for producing solid electrolytes with a lithium-ion conductivity high enough to replace liquid electrolytes and expand the performance and battery configuration limits of current lithium ion batteries. Taking advantage of the properties of high-entropy materials, we have designed a highly ion-conductive solid electrolyte by increasing the compositional complexity of a known lithium superionic conductor to eliminate ion migration barriers while maintaining the structural framework for superionic conduction. The synthesized phase with a compositional complexity showed an improved ion conductivity. We showed that the highly conductive solid electrolyte enables charge and discharge of a thick lithium-ion battery cathode at room temperature and thus has potential to change conventional battery configurations.
目前还没有设计规则来生产具有足够高的锂离子电导率的固体电解质,以取代液体电解质,并扩大当前锂离子电池的性能和电池配置限制。利用高熵材料的特性,我们设计了一种高离子导电固体电解质,通过增加已知锂超离子导体的成分复杂性来消除离子迁移障碍,同时保持超离子传导的结构框架。合成相组成复杂,离子电导率提高。我们证明了高导电性固体电解质能够在室温下对厚锂离子电池阴极进行充放电,从而有可能改变传统的电池结构。
编辑于 2023-07-18 18:24・IP 属地广东真诚赞赏,手留余香还没有人赞赏,快来当第一个赞赏的人吧!查看全文>>
蝈蝈一直都在家 - 22 个点赞 👍
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笔尖 - 16 个点赞 👍
刚在日本玩了两周,感觉日本街头大部分平民车都是本土牌子的混动,和本地司机聊,油耗换算到百公里大概是3L-4L左右,而且混动车短途市区可以纯电行驶,长途也不需要专门补电。我感觉是目前性价比最高的方案。
当然,纯电车是未来这不必多说,混动已经趋近极限,但纯电架构的上限还早得很。
编辑于 2023-07-19 01:09・IP 属地美国查看全文>>
Terminus - 13 个点赞 👍
2017年:2022年我要推出固态电池!
2022年:2025年我要推出固态电池!
2023年:2027年我要推出固态电池!
就固态电池这个事情都能鸽了几年又几年,我不管你容量能达到宇宙第一也好,电导率提升3.8倍还是3.8万倍也好,你倒是快点给我带来影响啊。
发布于 2023-07-17 20:46・IP 属地广东查看全文>>
黄医湿 - 12 个点赞 👍
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弗雷刘 - 4 个点赞 👍
日本在固态电池领域处于全球领先地位,拥有众多相关专利,并且已经有几家公司成功将固态电池商业化。
然而,固态电池的发展仍面临一些挑战。
首先,固态电池的生产成本较高,且电池的续航时间和充放电次数受到了限制。
其次,电解质和电极不能分离,对电极的设计提出了更高的要求和更严格的限制,技术难点也依然存在。
此外,固态电池在产业化过程中还需要解决生产制造难度等问题,并且需要进一步优化工艺和提高生产效率。
总的来说,尽管固态电池存在一些制约其在市场上应用的难点,但是日本在该领域的研究和商业化已经取得了一定的成果,未来随着技术的不断进步和产业化的逐步完善,固态电池有望成为下一代主流电池之一。
回答:文心一言。
翻译成人话就是:专利不少,前途光明,但是还看产业化和价格。
发布于 2023-07-19 01:40・IP 属地安徽真诚赞赏,手留余香还没有人赞赏,快来当第一个赞赏的人吧!查看全文>>
光电科技君 - 3 个点赞 👍
只能说还有很长的路要走,
技术层面:循环稳定性、倍率性能,
经济层面:成本
任何一项不行都无法商用。
从论文的摘要来看,日本研究团队是东京工业大学的,他们设计了一种新的固态电解质,提高了锂离子电导率(3.8倍)
但是电导率高,不代表倍率性能就高,不代表循环稳定性就好,也不代表成本就能降下来,
这个还只能说明日本研究团队发现/设计了一种新型固态电解质,其它实验还没做呢(也可能做了,但至少从成果上,我们看不到),有可能一步步做下来能成功,
有可能下一项发现根本不达标就直接被pass了,固态电池研究那么多年了,这种事情发生过多少次呢
如果此前丰田的雄心是因为这个研究,那确实是有点过于乐(neng)观(chui)了。
太晚了,先写这么多占个坑位,回头补充
论文链接如下:
发布于 2023-07-18 18:42・IP 属地新西兰查看全文>>
氯甲烷 - 3 个点赞 👍
吹完了充电5分钟续航1200公里,又开始吹性能提高3.8倍。
研究团队表示,他们新开发了属于全固态电池基础材料的固态电解质。通过使用这种新材料作为固体电解质,可在 25℃室温下提取约 90% 的理论能量值的正极,从而使得每平方厘米电极的电池容量超过 25 毫安,这也是目前已知的最高水平。
另一方面,锂离子电导率也因电解质材料的改良而显著提升,可达到传统材料的 2.3-3.8 倍,从而使离子更平滑地进行传导,进而提高快速充电效率。得,又是理论,这种理论上的数据我们有一大堆,但是投入到实际生产中会面临很大的问题,原因很简单:成本
固态电池最根本的因素,不是续航不是尺寸,而是成本太大,当然你也可以说是技术不到位。
所以即使真的给日本研究出技术,依旧造不出来。
很多回答带动情绪,但是一个造不出来的东西,大肆宣扬岂不是和贾跃亭一样,这种值得夸吗?
我当然要嘲讽了。
编辑于 2023-07-18 21:35・IP 属地上海真诚赞赏,手留余香还没有人赞赏,快来当第一个赞赏的人吧!查看全文>>
刘三姐 - 3 个点赞 👍
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苏克恩 - 2 个点赞 👍
能上science肯定是有东西的,但我不是相关专业,所以这种专业性的问题我希望在知乎看到专业的分析和回答,而不是一些高亮回答那样的一上来就冷嘲热讽,没意思
发布于 2023-07-18 18:24・IP 属地广东查看全文>>
Georgekit - 2 个点赞 👍
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新春晓 - 0 个点赞 👍
这技术上世纪就有了,全固态电池啥都好,比现在的都好,就是成本太贵了,还不是一般的贵,是贵太多了,那么问题来了,这么贵怎么量产啊,除了走奢侈品的名牌汽车,我想不出普通汽车用这电池的理由,所以新闻都说提高容量什么的性能多牛逼,充电多快,但成本呢。希望科研团队努力把成本降下来吧,否则量产难啊
发布于 2023-07-18 18:30・IP 属地上海查看全文>>
马寿 - 0 个点赞 👍
如果是松下搞的,还有一点可信度,毕竟松下现在也是动力电池的第二梯队还是有实力的。
如果是其他连基本动力电池产品都没有或者没有竞争力的,就湿PPT。人家小米还半年交发布公告固态电池预研成功呢。
发布于 2023-07-18 18:38・IP 属地江苏查看全文>>
时尚造型Tony老师 - 0 个点赞 👍
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它山之石 - 0 个点赞 👍
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摸摸摸 - 0 个点赞 👍
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yudl - 0 个点赞 👍
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韩非 - 0 个点赞 👍
话说上一个日本固态电池上热搜好像是几个星期前,这是每几周就要上一次,生怕大家忘了日本这次没有乘上电动车的东风,已经为下一次东风做准备了吗?希望这次日本没有选错方向。
日本固态电池来了吗?如来。来了没有?如来。到底来没来?如来。
编辑于 2023-07-18 20:35・IP 属地山东查看全文>>
feisfw liu - 0 个点赞 👍
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cainmusic - 0 个点赞 👍
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摆渡 - 0 个点赞 👍
小日子的轻混路线以前搞得挺流弊的,也许是自认为太流弊不愿意改变,现在已经被我们新能源弯道超车了。
小日子曾经尝试点亮氢电科技树,很可惜没亮,凉了
现在开始嚷嚷固态电池,这把可能真能点亮,但我很怀疑他们能不能卷过996,我估计难度有点大,最多在专利上给我们设置一点障碍。
竞速赛比不过开启道具赛了属于是。
发布于 2023-07-18 22:27・IP 属地上海查看全文>>
布闻布问 - 0 个点赞 👍
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韩韩 - 0 个点赞 👍
这是日本团队说的,我有理由怀疑这件事情的真实性。
毕竟一朝被蛇咬十年怕井绳,而日本人吹过的牛和撒过的谎也不止一件两件了。
另外也别拿《科学》给他们背书,《科学》发表了之后被打脸的也不少,都是网上查的到的。《科学》很牛,但也不是神。
发布于 2023-07-19 09:47・IP 属地辽宁查看全文>>
LEO1983 - 0 个点赞 👍
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司马衵 - 0 个点赞 👍
日本东京工业大学的研究团队成功提高了全固态电池的快速充电性能和容量,并在美国《科学》杂志上发表了相关文章。他们通过新开发基础材料和重新研究制造工艺等方式实现了这一突破。研究团队新开发了属于全固态电池基础材料的固态电解质,这是菅野等人2011年开发的硫化物类固体电解质的改良版。新材料的构成元素种类从4种增加到了7种。新材料的锂离子电导率约为传统材料的2.3~3.8倍,对快速充电性能有着重要影响。通过提高离子电导率,充电所需时间可以缩短。此外,制造工艺也进行了改良,使固体电解质与正极粉体混合。这样可以去掉以往所需的电极干燥工序。负极采用锂金属代替传统的石墨。试制的全固态电池的容量达到每平方厘米电极20毫安以上,创下了此前公布的最高水平。
发布于 2023-07-19 17:30・IP 属地北京真诚赞赏,手留余香还没有人赞赏,快来当第一个赞赏的人吧!查看全文>>
霱崖 - 0 个点赞 👍
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Gaarmat