噱头还是黑科技?固态电池究竟为何物

2021-01-23 00:46:24来源:作者: 网络阅读量:

  [汽车网 新能源]  新年伊始,多家车企纷纷推出续航1000公里的电池,随后却被中科院院士炮轰“夸大营销”。事实上,目前业内主流观点认为,锂离子电池已经到达极限,固态电池才是未来电池技术的发展方向。那么,固态电池究竟是什么?电池的安全问题解决了吗?用户是否还要为里程而焦虑?何时才能量产等等?本篇文章将为你一一解答。

快速了解全文:

   固态电池最大的优点是安全性高能量密度大;缺点则是成本较高难以快充

   固态电池大规模商用预计会在2025-2030年以后

   目前三元锂电池的能量密度已接近极限,全固态锂电池有望成为下一代主流产品;

   丰田在固态电池领域积淀深厚,近年来中国的企业也在奋力直追

   蔚来推出的“固态电池”为半固态锂离子电池,与全固态锂电池有本质上的区别。

1、 什么是固态电池?

  事实上,固态电池和传统锂电池(三元锂、磷酸铁锂电池等)的工作原理是相同的,都是靠着锂离子在电池的正负两极之间反复转移,从而实现充放电功能。业内也形象的将其称为“摇椅式电池”,锂离子就像运动员一样,在摇椅的两端来回奔跑。而两者不同的是,固态电池的电解质是固态,而传统锂电池的电解质是液态。

  大家都知道,传统(液态)锂离子电池由正极(三元材料或磷酸铁锂)、负极(石墨或硅碳)、电解液(碳酸酯类和六氟磷酸锂)、隔膜(多孔聚烯烃)组成。在工作时,除了需要液态电解质来传导锂离子,还需要隔膜来隔绝正、负电极,从而避免系统短路。


  而固态锂电池则是采用固态电解质来代替电解液和隔膜,在结构上更简单且具有较好的绝缘性,能够有效避免因正、负极接触而发生短路现象。当然,固态电池并非只是更换电解质那么简单,其正、负极材料也会根据化学特性进行重新匹配,从而达到更高的综合性能表现。

  需要注意的是,根据液态电解质质量百分比含量,固态电池还分为了“半固态”、“准固态”、“全固态”三大类。可以看出,“固态电池”和“全固态电池”之间是包含关系,就好比“锂电池”和“锂离子电池”一样。

  再往下细分,全固态电池又分为了“全固态锂一次电池”和“全固态锂二次电池”,其中前者已经投入商用(不可循环使用);而后者则是目前行业内重点研究的对象。其中,全固态锂二次电池根据正负极材料的不同,又分为了全固态锂离子电池和全固态锂金属电池。总的来说,固态电池是一个较大的门类,并不能一概而论。(注:目前大家普遍认为固态电池就是全固态锂电池,这是错误的)

2、固态电池有哪些优点?

  在了解固态电池的优点前,先让我们回顾下当下锂离子电池的“痛点”,相信大家脱口而出肯定是“里程焦虑”和“不安全”。事实上,传统(液态)锂离子电池的能量密度和热失控一直是其发展道路上的“拦路虎”,而固态电池则在这两方面都有了质的提升。

  ● 安全性较高:液态电解质中含有易燃的有机溶剂,系统内部短路时容易造成安全隐患。而固态电解质具有不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液等特性,还拥有不错的绝缘性,并且在高温下不发生副反应,因此安全性相比传统(液态)锂电池有了质的提升。

  ● 能量密度高:由于固态电池没有隔膜和电解液,节约了近40%的体积和25%的质量,从而可以提升电池组的能量密度。此外,再配合新的正、负极材料,比如锂金属做负极,理论上电池的比能量可以轻松突破350Wh/kg的天花板,甚至有望达到500Wh/kg。

  ● 循环寿命更长:液态电解质在充放电过程中,会出现界面膜和锂枝晶刺穿隔膜等现象,固态电解质则可以有效避免上述问题,从而大幅度提升电池的循环次数和使用寿命(在理想状态下,循环次数能够达到4.5万次)。

  ● 适用范围更广泛:由于采用固态电解质,电池的形态将不再受到严格限制;并且工作温度范围更广(-25℃-60℃),因此可以适用于更多场景。此外,固态电解质的电化学窗口更宽(5V以上),可以适用于高电压型电极材料,有利于进一步提升能量密度。

3、固态电池有哪些不足?


  ● 电导率较低,难以进行快充:由于固态电解质与正、负极材料之间是固-固接触的状态(液态电解质为液-固接触),电极与电解质之间的有效接触面积较小,导致锂离子的传输效率大大降低,因此电导率要比液态电解质低10倍以上。较低的电导率也使得固态电池很难进行快充,并且当车辆需要大功率放电时,还可能会出现供电不足的现象。

  ● 成本相对较高:成本是固态电池技术目前商业化最大的挑战,主要是因为固态电池制备工艺尚处于研发阶段,产业化还不完善,因此导致成本较高。整体来看,固态电池技术仍处在成熟技术到产业化过渡阶段,还需物料价格下降、工艺改进以及更加稳定的供应链体系。

 本章小结:

  可以看出,固态电池的优缺点非常鲜明,其具备更好的安全性、更高的能量密度以及柔性,这都是传统(液态)锂电池难以突破的瓶颈;固态电池的缺点同样非常致命,其电导率较低而导致难以快充,并且成本较高短期很难进行商业化。总的来说,从短期来看,固态电池和传统锂离子电池各有利弊,可能会并行发展;不过从长期来看,一旦快充和成本问题得到解决,固态电池将具有传统锂离子电池无可比拟的优势。

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