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京瓷将在2020年批量生产性能全面胜出全固态电池的新型“厚涂电极”锂离子电池

发布时间:2019/7/12

京瓷公司从2020年开始生产新型锂电池,在原理上减少了发生事故的危险,可以预期其容量密度大幅度提高。相对于现有的锂离子电池(LIB),可以将原材料费降低4成左右,可以将制造工序简化为1/3。高安全性和高密度化并存,因此比起备受瞩目的全固体电池,技术性课题要少,有可能在早期进入量产化阶段。

 

该公司,在大阪府大东市的大东事业所(以前旧·三洋电机的工厂)内设置新型电池的试验产线,并在2019年中完成安装。在验证了量产技术的基础上,并以2020年开始生产作为目标。以京瓷出资20%的风投企业美国24M技术公司(24M Technologies)的电池技术为基础,两家公司已经在该公司的美国办事处设置了为确立基本制造技术的试验线(图1)。

 

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1京瓷将量产的新型电池

 

基于24M的电池技术,此次的新型被该公司自己称呼为「半固体(semi-solid)型」。因为正负的电极之间的电解质,区别与现有锂电池电解质的液体,以及全固体电池电解质的固体,为区别这三者而采用了半固体型的名称。(照片:京瓷)

 

京瓷公司将面向住宅、工厂等设置的太阳能发电系统和与其配套的蓄电池系统生产该款电池。由于「已结束的FIT(固定价格买进制度)」以固定价格的卖电方案已经结束,所以打算将该产品推向发电自用的客户群(储能)。

 

大幅度削减材料和制造工艺成本

该款新型电池,是将电极与集电体(一般为金属箔)一起构成的浆料结构的革新产品。现有的浆料,除了作为有助于蓄电(吸收、释放锂离子)的活性物质之外,而且其中包含了胶粘剂以及便于涂布用的溶剂等添加剂、所以更容易与金属箔紧贴。

新型无需粘合剂和溶剂。现有的制造工艺中,要将粘合剂和溶剂混合成液状的浆料使用,并对金属箔进行涂布后必须进行干燥工序,由于浆料的体积收缩等原因,无法进行厚涂。新型电池由于不使用粘合剂,可以省去干燥工艺,并且可以将浆料进行厚涂处理(2)

 

24M透露,浆料厚度相对于现有电池的60μ~110μm,可达到300μ~500μm5(3)。由于内藏同量的活性物质,所使用的金属箔用量也会相应减少。可以削减原材料费同时提高能量密度。据说这部分的能量密度可以达到现有产品的34倍。该公司的浆料所包含的电解液也具有粘性。京瓷着眼于具有粘性的浆料,将该款新型电池称为“粘土型”电池。

 

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2 将制造工艺精简化

 

由于工艺的简化,生产线只需要达到现有电池产线长度(70m)的1/3左右。加上设备成本之外,还可以削减工厂的建筑面积。

 

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3通过活性物质的厚涂工艺大幅度削减原料

 

左侧是现有的锂离子电池和24M的新型电池的电极剖面比较的图。新型电池方面,对构成电极的金属箔进行了浆料的厚涂处理。右图是新型电池的原材料成本的削减比率与现有电池进行的对比。(图:京瓷公司)

 

在安全性和可靠性的设计上下功夫

新型电池方面(1)在提高安全性、可靠性的设计上下了功夫,(2)具有提高现有电池瓶颈容量密度的相关技术特征。另外,(3)不特意采用稀有性高的原料,可以低成本地实现可再生利用。

(1)为了确保安全性、可靠性,很难发生由制造工艺的不一致所导致的不良。现有的锂离子电池,通过电极将电解质和隔膜夹住,来构成单元电芯。由于在电芯制作中的切断和焊接工艺所产生的金属粉会进入电池内所引发的问题,以及电极位置偏离,都会导致正负电极间发生短路,有时也是电芯失火事故的原因。

新型电池,由于使用了已加工的金属箔,并且没有设置金属的切削工序。对电芯外部端子的焊接方面,由于通过用树脂薄膜将每个电芯进行软包加工,密封后实施焊接工艺,焊接时所产生的金属片不会进入电芯内部。因为在电芯密封之后,要将多个电芯组合后模组化,所以电池模组的金属壳在加工时所产生的金属片也不会进入电芯内(4)。即使某个电芯发生短路,通过软包的绝缘特性,可以防止波及到其他电芯。另外,电极通过软包加工可以将隔膜一起固定住,不容易发生位置偏移。

 

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4模组化的新型电池的试制品

 

扩大材料选择范围,达到500Wh/kg

2)新型产品在提高容量密度的可行性方面,相对于现有的电池,在电解质和活性材料选择性方面的自由度上更加灵活广阔。

在电解质中,通过在正极与负极之间放置固体电解质,对正负各自电极的活性物质上可以选择最适合的电解质(5)。现有的锂电池,由于电解质为了注入充满在正负电极之间,所以正负电极要一样。因此,假如只是相对于正极优秀,但在负极会发生副反应这样有问题的材料也不能使用。新型电池方面,譬如只适合负极的乙醚系和只适合正极的氟素类材料等都可以使用。

 

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5最适合正负电极的电解质

 

对于正极侧(左侧)和负极侧(右侧)的电极,可以分别选择适合的电解质。两者中间夹着固体电解质(图中为“Separator)

 

活性物质方面,因为不对电解质使用粘合剂,所以与粘合剂发生反应,且不能被使用的高电位高能量密度的活性物质也可以被选用。另外,24M公司,面对将来的大容量化趋势,除了对负极采用高纯度的Si(硅)材料工艺、还会采用为应对锂电池由于长时间使用导致锂离子衰减的现象,过量地添加Li离子等方法(图6)。

 

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6新型电池的容量密度提高的线路图

 

新型电池计划在2022年实现接近500Wh/kg的能量密度。(图:24M

 

不会浪费原材料实现可再利用

3)可以便利的进行原材料的回收,可再生利用。由于浆料里没有包含粘合剂,所以很容易与金属箔分离,浆料几乎可以直接作为制造工序的原料再利用(图7、相关报道:“努力使全树脂电池量产,开拓市场,确立量产技术”)。现有的锂电池,将干燥后的浆料和金属箔分离很难,必须对Li等元素进行分解。

因为使用后的活物质中Li离子减少的情况比较多,所以24M也在开发回收再利用时Li的补充的方法。

 

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7为了再利用而分离的金属箔和原料

 

从涂有金属箔的浆料中提取的主要原料的样子。(照片:24M

 

(以上信息由上海浦籁玛国际贸易有限公司邝翔搜集整理翻译。)