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(二)安全问题关乎行业健康发展,难以彻底根除
可燃的液态有机电解液是电池自燃的幕后元凶。新能源汽车销量逐年增长却伴随着安全事故的增加,其中,电池自燃占比事故原因的31%。自燃的原因是由于锂电池发生内部或者外部短路后,短时间内电池释放出大量热量,温度极剧升高,导致热失控。而易燃性的液态电解液在高温下会被点燃,最终导致电池起火或者爆炸。
起火事件的频发挫伤公众对于新能源车信心,政策相继出台加强行业监管,企业方面,近年来也从不同方向对安全问题进行优化。主要手段包括:(1)采用功能性电解液,于电解液中添加阻燃剂;(2)优化BMS热管理系统,减少过冲过放等易引发热失控的场景发生;(3)采用陶瓷涂覆与耐高温的电池隔膜等等。但这些手段在技术层面并没能取代可燃性有机电解质的使用,电池系统的安全隐患没有得到彻底根除。零自燃风险,将是未来电动车实现燃油车全面替代需要迈出的关键一步。
面对能量与安全两座大山,下一代锂电的风口在哪?回望电动车电池技术发展史,从早期的铅酸电池,到丰田等日企主打的镍氢电池,再到08年特斯拉roaster使用的锂离子电池,传统液态锂离子电池已统治动力电池市场十年。未来,能量与安全需求与传统锂电技术的矛盾将越来越凸显,在下一代锂电技术中,固态电池获得了最高的关注度,已引发全球范围的企业进行提前卡位。
二、为什么一定是固态电池
(一)不燃烧,根除安全隐患
固态电池是采用固态电解质的锂离子电池。工作原理上,固态锂电池和传统的锂电池并无区别:传统的液态锂电池被称为“摇椅式电池”,摇椅的两端为电池的正负两极,中间为液态电解质,锂离子在电解液中迁移来完成正负极间的穿梭实现充放电,而固态电池的电解质为固态,相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。固态电解质是固态电池的核心。
固态电解质不可燃烧,极大提高电池安全性。与传统锂电池相比,全固态电池最突出的优点是安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性,避免了传统锂离子电池中的电解液泄露、电极短路等现象,降低了电池组对于温度的敏感性,根除安全隐患。同时,固态电解质的绝缘性使得其良好地将电池正极与负极阻隔,避免正负极接触产生短路的同时能充当隔膜的功能。
(二)兼容高容量正负极+轻量化电池系统,推动能量密度大飞跃
(1)更宽的电化学窗口,更易搭载高电压正极材料
提高正极材料容量需要充电至高电压以便脱出更多的锂,目前针对钴酸锂的电解质溶液可以充电到 4.45 V,三元材料可以充电到 4.35 V,继续充到更高电压,液态电解液会被氧化,正极表面也会发生不可逆相变,三元811电池的推广目前便受到了耐高压电解液的制约。而固态电解质的电化学窗口更宽,可达到5 V,更加适应于高电压型电极材料。随着正极材料的持续升级,固态电解质能够做出较好的适配,有利于提升电池系统的能量密度。
(2)兼容金属锂负极,提升能量密度上限
高容量与高电压的特性,让金属锂成为继石墨与硅负极之后的“最终负极”。为了实现更高的能量密度目标,以金属锂为负极的电池体系已成为必然选择。因为:(1)锂金属的克容量为 3860 mAh/g,约为石墨(372mAh/g)的10倍,(2)金属锂是自然界电化学势最低的材料,为-3.04V。同时其本身就是锂源,正极材料选择面更宽,可以是含锂或不含锂的嵌入化合物,也可以是硫或硫化物甚至空气,分别对应能量密度更高的锂硫和锂空电池,理论能量密度接近当前电池的10倍。
锂金属负极在当前传统液态电池体系难以实现。锂金属电池的研究最早可追溯到上世纪 60 年代,并在20世纪70年代已成功开发应用于一次电池。而在可充放电池领域,金属锂负极在液态电池中存在一系列技术问题至今仍缺乏有效的解决方法,比如金属锂与液态电解质界面副反应多、SEI 膜分布不均匀且不稳定导致循环寿命差,金属锂的不均匀沉积和溶解导致锂枝晶和孔洞的不均匀形成。
固态电解质在解决锂金属负极应用问题上被科学界寄予厚望。研究者把解决金属锂负极的应用问题寄希望于固态电解质的使用,主要思路是避免液体电解质中持续发生的副反应,同时利用固体电解质的力学与电学特性抑制锂枝晶的形成。此外,由于固态电解质将正极与负极材料隔离开,不会产生锂枝晶刺破隔膜的短路效应。总而言之,固态电解质对于锂金属负极拥有更好的兼容性,锂金属材料将在固态电池平台上率先应用。
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