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固态电池能否取代锂电池?

北极星储能网  来源:电车资源  作者:李赛飞  2019/10/15 13:12:55  我要投稿  

北极星储能网讯:消费锂电经历三十载征程,经历了日本独大到中日韩“三足鼎立”的时期,在消费电子领域的格局已基本稳定。动力电池作为新能源汽车核心零部件,电池的能量密度及规模直接决定了电动汽车的续航里程。因此,各大电池企业和汽车制造商都在想尽办法突破电池“瓶颈”,具有高能量密度的固态锂电池技术成为目前企业前沿技术首选方案。

(来源:微信公众号“电车资源” ID:evpartner 作者:李赛飞)

近日,随着2019年诺贝尔化学奖的诞生,来自美日等国的三名科学家因“开发锂离子电池”,引起了动力电池行业的巨大轰动。作为三位诺奖得主在固态电池研究方面取得的成就,同样受到大家关注,引燃了对固态电池的大讨论。

动力电池在新能源汽车发展中扮演着十分重要的角色,自从2012年中国扶持新能源汽车开始,动力电池就备受各界关注,动力电池作为整车的核心零部件,不仅在价格方面占有很高的比例,在汽车续航里程方面也起到关键作用。随着新能源汽车在行业的壮大,动力电池的研发技术也在一步步提升,并且出现了不同种类的电池,而近几年最热的便是固态电池。

一、2019年国内外车企和电池公司都陆续布局固态电池技术

1、雷诺汽车高级副总裁吉尔斯.诺曼德在几日前,公开表示,2025年将使用钴态含量为零的固态电池,早在2018年初,雷诺日产-三菱联盟设立10亿美元风投基金,其首个投资项目便用于无钴固态电池的研发。

2、日前,从哪吒汽车官方获悉,哪吒汽车正式与清陶科技达成全面合作关系,共同推进固态电池的研发与应用。

3、2019年4月天际汽车便与辉能科技达成了固态电池业务方面的合作。今年下半年蔚来汽车和爱驰汽车都陆续与辉能科技达成固态电池业务方面的合作,以抢先占领市场,完成固态电池的区域布局。

4、德国的大众集团豪掷1亿美元投资电池技术公司QuantumScape,力争在2024年大规模生产固态电池。

5、宝马也提出与美国固态电池商Solid Power达成战略合作,希望尽快研发出车载固态电池。

6、此外三星、戴森、奔驰等产业巨头也纷纷布局涉足固态电池研发。

7、国内除了中科院宁波材料所,中科院 青岛能源所、宁德时代、中航锂电、比亚迪、赣锋锂业等多家研究机构和动力电池企业也都在从事固态电池的研发工作。

车企和电池公司以及研究院院纷纷布局固态电池技术,固态电池为何如此受欢迎呢?与传统锂电池比较有什么优势呢?

二、固态电池与传统锂电池优缺点分析

固态电池发展于20世纪70年代,最早应用于心脏起搏器。固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池,是一种电池科技。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性。固态电池一般功率密度较低,能量密度较高。

优点:

① 直接使用金属锂做负极,重量轻且能量密度高,保证车辆续航能力。传统锂电池能量密度一般为200KW/kg,而固态电池能量密度可达400KW/kg.

② 固态电解质取代传统隔膜和电解液,电池厚度薄,体积小,质量轻。

③ 固态电池具有极好的柔韧性前景,可以保证其电池性能不衰退。

④ 固态电解质不燃烧,耐潮湿,电池安全系数比传统锂离子电池高。

缺点:生产成本高以及技术研发困难‍

传统锂电池使用液体电解质,液体电解质易燃、易爆、易挥发,在受到外部撞击或者其他极端情况时,就会发生电池短路,起火燃烧的现象。

新能源汽车国家大数据联盟8月公布的《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》显示,自5月起,新能源汽车国家监管平台共发现79起安全事故,58%的车辆起火原因是电池问题,86%的涉事车辆使用三元锂电池。市场上目前最常见的是三元锂和磷酸铁锂电池,但由于成本控制、安全、原材料渠道以及补贴政策的退坡等方面的原因,已无法满足当下新能源产业的发展需求。

优点:生产成本低,产品量产大。

缺点:安全系数低,容易爆炸,能量密度局限性大。

从上面的比较中可以看出,固态电池在成本以及技术方面的问题严重阻碍了固态电池的发展,而锂电池在汽车发展中导致的车辆起火问题也严重影响了锂电池的发展,虽然固态电池遭遇了瓶颈,但是在未来的时间里,可以攻克这个问题,然而锂电池的问题最终会导致它被市场所淘汰。

三、固态电池发展阻力

技术困难:

固态电池在固态电解质的导电率、内阻界面阻抗及相容性上存在着问题,因而固态电池短时间内不能量产应用于市场。

① 固态电解质材料限制大,电池整体阻抗和倍率性能低。固体电解质是固态电池的核心,目前应用的固态电解质有三种体系:聚合物、氧化物、硫化物。这三种固态电解质材料各有优势,然而他们共同的缺点是:低离子电导率。低离子电导率会阻碍锂离子在电池正负极之间的运动,导致锂离子传输速度和效率降低,在高倍率大电流下运动能力变差,电池能量密度和功率密度都将下降。

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② 固态电解质与正负极之间以固/固界面的方式接触,接触面积小,界面阻抗大,电池循环寿命、倍率性能差,导致充电速度缓慢。

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③ 目前,针对无机固体电解质的测试显示,大部分固体电解质机械性能相对较差,易破碎开裂,导致电池短路,发生泄漏。

成本昂贵:

毋庸置疑,固态电池成本是十分昂贵的,这与固态电解质材料有很大关系,具有良好性能的材料成本昂贵,而成本可接受的材料的导电度与稳定性较差。目前市场上的传统锂电池成本大约在200-300美元/千瓦时,而生产满足智能手机供电需要的固态电池成本则需要1.5万美元(按现有技术条件),那么可想而知生产满足新能源汽车供电的固态电池成本为多少,据估算(按现有技术条件)成本费用约为9000万美元。

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四、发展前景向好

固态电池发展前景向好,只需在时间里开花结果。

2019年10月9日,锂电池斩获诺贝尔化学奖,此次化学奖由三位科学家共同获奖,以表彰三人在锂电池开发上的贡献,在国内新能源环境低迷的情况下,这给车企、电池企业带来了雨露,锂电池再一次受到关注,而作为锂电池全新领域的固态电池也被这些科学家所看好,两年前,95岁高龄的古迪纳夫带领工程师团队打造了一个新型全固态电池,不过仅限实验,能否量产应用于市场还有待考究。而现年97岁的约翰·B·古迪纳夫依然在不停地工作,攻克技术难题,寻找解决固态电池难题的办法。

目前中国已成为世界上最大的汽车生产国和消费国,伴随着环境污染和能源紧缺问题,新能源汽车在未来的发展中定会斩落头角。而电动汽车也会逐渐普及全中国进入寻常百姓家,为了满足广大市民的出行需求和解决环境以及能源紧缺问题,固态电池的技术研发刻不容缓,现阶段固态锂电池量产产品很少,产业化进程仍处于早期。根据资料显示,固态电池有望在2025年实现量产。

固态电解质相对于液态电解质电导率较低,因此为了降低电池的内阻,提高电池的大电流放电能力,需要将固态电解质膜尽可能的做薄。目前国内有北京大学、中国电子科技集团等院所正在进行固态锂电电解质的研究。目前国家项目有计划用材料基因组来做固态电池。

从海外各家企业实验与中试产品来看,固态锂电池能量密度优势已开始凸显, 明显超过现有锂电水平。相信在不久的将来固态电池的难题会被攻克。

小结

固态电池相较于锂电池有太多优势,而随着国家政策和世界格局的变化,电动汽车将会在全世界普及和发展,这为固态电池的发展提供了良好机遇,固态电池的量产有利于缓解世界环境和能源问题,为电动汽车提供绿色环保新动力。在未来的发展中传统锂电池会被“洗”掉,而固态电池虽然由于种种困难目前不能实现量产,但它只需在时间里等待开花结果。


原标题:固态电池能否取代锂电池?

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