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硫化锂中试设备
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硫化锂中试设备
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在全固态电池产业化征途中,硫化物路线技术突破不断提速。“全固态电池具备能量密度更高、安全性更好、循环寿命更长等诸多优势,是业内公认的理想的下一代锂电池创新技术。”业内人士分析指出,在众多的全固态电池技术路线中,硫化物固态电解质具备较高的离子电导率优势,且质地软容易加工,是当下技术突破的关键方向。
与氧化物、聚合物等固态电解质相比,硫化物电解质具有较高的锂离子电导率,室温离子电导率可以达到10⁻³~ 10⁻²S/cm,其离子电导率*接近液态电解质。
作为**发展前景的一条技术路线,硫化物全固态电池获得国内外新能源产业链企业的共同关注。目前包括比亚迪、广汽、一汽、长安、丰田、本田、宝马、福特,以及宁德时代、亿纬锂能、国轩高科、松下、三星SDI等众多国内外车企和电池厂商,都在广泛布局硫化物全固态电池。
不少业内大佬也力挺硫化物全固态电池。比如,中国科学院院士欧阳明高就指出,当前全固态电池的技术路线,要聚焦以硫化物电解质为主体电解质,匹配高镍三元正极和硅碳负极的技术路线,以比能量400Wh/kg、循环寿命1000次以上为性能目标,确保2027年实现轿车小批量装车,2030年实现规模量产。
硫化物全固态电池市场应用前景广阔。据业内机构预测,未来硫化物全固态电池市场规模将从2027年的2GWh增长到2030年到43GWh。随着生产成本的降低,预计2030年以后,其市场规模将持续爆发式增长,到2035年将有望增长到494GWh。无论是机器人、可穿戴设备、航天设备、电动汽车等领域,硫化物固态电池都将大展身手。
固态电池的优势
固态电池正是可以以突破性的能量密度(可达500Wh/kg)、本质安全特性和出色的低温性能,突破传统电池*明显的短板,成为下一代技术路线。
当前四大技术体系中,氧化物固态电池的性能与成本相对综合,聚合物具有加工性好、界面相容性好等优势,硫化物因高离子电导率备受青睐,而卤化物仍需突破成本与工艺瓶颈。
硫化物固态电池是当下的主流
2025 年 2 月,中国科学院院士欧阳明高表示当前全固态电池的技术路线,主 要聚焦以硫化物电解质为主体电解质,并预测**代(石墨/低硅负极)全固态电池将于 2025~2027 年实现量产。
硫化物路线的主要优点有:1)高离子电导率:接触性好,能达到>10^(−3) S/cm,高锂离 子迁移数(tLi+接近于 1);2)电化学稳定窗口较宽;3)固固接触好:粒子比较柔软,固固 接触容易形成面接触;4)能量密度高:采用高容量负极材料和高电压正极材料,理论达 500Wh/kg;5)倍率性能好。
目前制备硫化锂的主要方法有四类:球磨法、溶剂法、高温高压法、直接碳复合法。由于硫、锂两种元 素在自然界的多元赋存形态,硫化锂合成前体的选择呈现多样性,衍生出锂 硫化合法、碳热还原法、水合肼还原法、液相复分解法及硫化氢中和法等不 同工艺路线。
1. 机械球磨法:在惰性气氛下,将单质硫和金属锂/氢化锂按比例混合后进 行机械球磨反应得到硫化锂。其具有工艺简单、环境友好、无废液产生。但也存 在原料成本高(氢化锂)反应时间长、转化率较低,所得产品存在杂项如多硫化锂 等,不易提纯,产业化设备不易选型等缺点。
2. 液相法(溶剂法):将锂/锂化合物和硫/硫化合物在溶剂介质中混合反应制备硫化 锂。溶剂选用有机溶剂或液氨;有机溶剂多选用脂肪烃、芳香烃或醚溶剂等,比 如乙醇、已烷、甲苯、乙醚、四氢呋喃、氮甲基吡咯烷酮等。液相反应充分完全, 不易残留杂质,产品提纯容易;不需要高温处理,能耗较小;工艺简单,工况较 易控制。但是,有机溶剂易燃、易爆、易挥发,环境污染严重,不易回收;工沉 危险性高,较难控制。
3. 气相法(高温高压法):在惰性/还原保护气氛下,高温、高压使锂/锂化合物和硫/硫化 合物通过还原或气相等反应制备硫化锂。该工艺流程简单,无有害气体产生,且 有效利用了高温高压密闭反应的优势,避免有害溶剂泄漏,大大缩短了制备流程。 但是高温、高压,工況控制不易,设备选型要求高,增加了反应过程及后处理的风险。
4. 碳热还原法(直接碳复合法): 利用碳的强还原性,在制备硫化锂的反应中直接加入碳材 料/碳材料前驱体,一步法合成分散均匀、性能良好、形貌可控的硫化锂/碳复合 材料。该工艺反应更易控制,解决了因硫化锂遇水、氧敏感而导致的生产和储运困难的问题;提高了产品收率和性能,改善了传统硫化锂/碳复合材料制备工序复杂的现状,提高了活性材料在锂硫电池正极中的分散性,提升了锂硫电池的电化 学性能。但是,该技术尚需优化完善,产品质量不稳定,复合材料形貌可控性较差。