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被称为下一代动力电池的固态电池 到底明年还是十年后才能量产?

北极星储能网  来源:能见Eknower  作者:藜鸥  2020/1/3 8:36:23  我要投稿  

北极星储能网讯:受“里程焦虑”和安全问题困扰的锂离子电池,是电动汽车取得市场突破的最大瓶颈。业内认为最有可能成为下一代动力电池的就是固态电池

(来源:微信公众号“能见Eknower” ID:Eknower 作者:藜鸥I)

辉能科技,一家台湾的固态电池初创公司,近期高调宣传将于2021年实现固态电池的量产。去年8月还与蔚来签下合作备忘录,为蔚来定制生产“MAB”固态电池包。比在固态电池领域深耕多年的丰田步子迈得还要大。

然而近期宁德时代的一位电池开发负责人表示,宁德时代的全固态电池还在开发中,也制作了样品,但要实现商品化,恐怕要到2030年以后。

一边是后期新秀的豪言壮志,一边是锂电巨头的谨慎保守。被称为下一代动力电池的固态电池,到底明年就能量产,还是要等到10年后?

01 后起之秀“固态电池”

从1991年索尼公司将含有液态电解质的锂离子电池带入电子设备的应用至今,液态锂电池已经成为目前最为成熟、使用最广泛的技术路线之一。它主要是由正极、负极、隔膜、电解液组成,锂电子通过电解液在电池的正负极来回跑,从而完成充放电的过程。

固态电池的根本原理和液态锂电池相似,但选用固体电解质(锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质)取代了隔膜和电解液。这个差别会带来怎样的差异?

首先是能量密度的提升。

由于能量密度提升主要受材料限制,科学界认为锂离子电池已经接近极限了。2019年宁德时代和比亚迪推出的CTP技术和刀片电池技术都是在组成形态和系统等其他方面做文章。

事实上采用固态电解质本身并不会直接提升电池的能量密度。

液态电解液与正负极材料可以全方位、包裹式接触,接触面积越大电阻值越小。由于接触面不如液体,固态电池为了获得较低的电阻,就需要更多的电解质。

这样一来,电池体积占比一般会高于使用液态电解质的电池,如果其他不改变的话,能量密度反而会低于液态电解质电池。

固态锂电能量密度显著提升的秘诀主要有两:

(1)用锂金属作负极。

目前的锂离子电池的负极,主要是用石墨制造,但石墨负极的容量上限仅为370Ah/g左右。为了增加石墨的容量,会给它加入一些硅,但这又容易引起电池鼓包。

锂金属的容量是石墨的三倍以上。为何现在的锂电池不用锂金属呢?

因为一旦用金属锂当负极,充电时,在锂离子返回负极的过程中容易产生“枝晶”问题。锂离子会在锂金属表面“发芽”,小树枝如果刺破隔膜就容易短路,然后着火。因此科研人员才选用了容量较低,但不容易让锂离子产生“枝晶”问题的石墨作为负极。

如果电解液变成固态电解质,锂离子就失去了长“小树枝”的空间,完美解决了安全问题。

打个比方,正负极这两个大口袋装的锂离子越多,能量密度越大。如果传统锂电池像手提袋,那固态锂电就是个麻布袋。

(2)正极材料的选择变多

电解质相对于电解液的另一大优势就是,在更广的电压范围内,电解质不会参与化学反应,而是客客气气地让锂离子通过。这样就可以选择容量更大的正极材料或是选择电压差更高的正负极材料,以提升能量密度。

第二个差异是安全性的提升。

传统锂电池如果过充或遭到撞击,抑或是隔膜质量不好,就容易发生短路,继而引起火灾。而固态电解质具有不可燃、不腐蚀、不挥发、不漏液等优势,安全性能大大提升。如果将它应用到电动车上,就能省掉电池包外壳、冷却等系统,可以节约空间、减轻重量,继而提升电动汽车的续航能力。

除此之外它还具有循环次数多、造型丰富、轻薄、柔化性能优、体积小等优点。

02 老鼠老虎傻傻分不清楚

这么一个神仙产品,到底何时能实现量产?

实际上辉能和宁德时代或许说的都没错。但是仔细注意他们的用词,前者用的是“固态电池”,后者用的是“全固态电池”。这两个概念仅一字之差,却有很大的差别。

“固态电池”不一定用的全都是固态电解质,可能是液态跟固态混合的,不同产商的混合比例不同。

“全固态锂电池”则是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态、不含任何液态组份的锂电池,全称是“全固态电解质锂电池”,只有它才具有上述的所有优点,其他的几个技术方向只是在当前的锂离子电池的技术基础上有所改进。

目前市面上说要量产的“固态电池”大多是“固态锂离子电池”。这与上述的两个概念化有什么异同?“固态锂离子电池”的电解质是固态,但在电芯中有少量的液态电解质。姑且可以把它们看作往“全固态锂电池”迈进的脚注,而后者才是终极目标。

所以市面上常说的“固态电池”和“固态锂离子电池”准确地说应该统称为“准固态电池”,要么是固态电解质、液态电解质相混合,要么是电芯是固态和液态相混合的,具体的比例各家不同。

这种文字游戏让大家有些傻傻分不清楚,一不小心就以为人类即将拥抱一项颠覆性的技术了。

关于固态电池各国的方向略有差异。美国,以小公司、创业型公司为主。此前较为有名的Sakit3已经于2015年被英国的戴森(就是做吹风机的那位)收购。另一家是Soid State,同宝马有合作。这几家创业公司,立足于颠覆性技术,朝着“全固态电池”的方向冲击。

中日韩则基本上选择了更为稳妥的“固态锂离子电池”。深耕固态电池领域多年的丰田,计划在2020年的东京奥运会上推出商业化的产品,并计划于2022年实现量产。但是丰田采用的是石墨类负极、硫化物电解质与高电压正极的组合的方式。正负极并没有太大变动,只是将隔膜和电解液换成电解质。

因此丰田做的也不是全固态锂金属电池,而是固态锂离子电池。毕竟亚洲拥有最大、最全的锂离子电池的产业链,不可能立即推倒重来。

总之,辉能的高调宣言或许不假,但是明年量产的只能是相对保守的固态锂离子电池。而宁德时代目前潜心研制的“全固态电池”,还必须先攻克两大难题:固体电解质材料离子电导率偏低;和固体电解质/电极间界面阻抗大,界面相容性较差,充放电过程中各材料的体积膨胀和收缩,导致界面容易分离。

一项颠覆性的技术,等上十年或许也是值得的!


原标题:被称为下一代动力电池的固态电池,到底明年还是十年后才能量产?

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