固態電池，小心被“玩”壞

時間:2024-05-09 10:47來源:鏡觀臺 作者:惠鵬權
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       關于固態電池，一個共識是，它將取代目前主流的液態鋰離子電池，成為新能源汽車的“下一站”。
 
       然而，對于固態電池什么時候量產搭車的問題，則眾說紛紜。
 
       智己汽車CEO劉濤在近期智己L6的新品發布會上表示，第一代光年固態電池今年年內會真正實現量產上市。廣汽埃安認為它的全固態電池預計在2026年量產上車。
 
       海外市場方面，豐田計劃2027年實現全固態電池裝車；韓國SKOn正在開發高分子氧化物復合和硫化物兩種固態電池，目標是到2026年生產出原型產品，2028年實現商業化；三星SDI正在開發一種沒有負極的固態電池，預計將于2027年量產。
 
        固態電池的消息滿天飛，動力電池的霸主寧德時代也不得不出來發聲。寧德時代首席科學家吳凱表示，全固態電池的成熟度指標，若用1-9數字表示，寧德時代目前的成熟度在4的水平，目標到2027年到7-8的水平。
 
        簡言之，寧德時代的固態電池離量產還尚早。
 
        在全固態電池研發方面已有十多年的積累，且有近千人研發團隊的寧德時代尚且如此，近一兩年量產，甚至宣稱已經搭載上車的固態電池，其成色問題就值得商榷了。
 
固態電池雖好，經不起“惡搞”
 
        新能源汽車行業發展離不開動力電池，目前的動力電池無論是三元鋰電池還是磷酸鐵鋰，雖然在整車安全、續航里程等方面還在進步，但一定程度上在技術上已經很難有大的突破了。
 
        隨著鋰離子電池成本優化接近極限，新能源汽車產業正迫切尋求技術革新以突破現有瓶頸。固態電池作為下一代電池技術的明星產品，憑借其在安全、能量密度及循環壽命方面的顯著優勢，被視為推動電動汽車發展的新引擎。
 
       所謂固態電池，顧名思義，是和液態電池相對應的，是一種使用固態電極和固態電解質的電池。
 
       目前市面上主要的鋰離子電池內置是含有液態電解質的。傳統液態電池由正極、負極、電解液、隔膜四大部分組成。固態電池用固態電解質替換傳統液態電解液和隔膜。
來源/視覺中國
 
       固態電池的核心特征就在于使用固態電解質，這也是實現固態電池高能量密度、高循環穩定性、高安全性的關鍵。
 
       其工作機理與傳統鋰電池一致，依靠鋰離子在正極和負極之間往返移動，進行化學能和電能之間的轉換與儲存。
 
       根據液態電解質的含量逐步下降，固態電池發展路徑可分為：半固態電池、準固態電池和全固態電池。
 
       這也就給了一些車企在宣傳上提供了“便利”，第一家、第一款、第一代的修飾語層出不窮。騰勢汽車總經理兼首席共創官趙長江也忍不住在微博吐槽“就是在玩文字游戲”。
 
       中科院院士、清華大學教授歐陽明高也認為，中國在全固態電池領域的研發，目前來看認識還不統一。顯然，過度炒作對固態電池的發展極為不利。
 
       事實上，作為全固態電池的過渡方案，半固態電池在性能上已大幅提升，安全性較好、能量密度較高、循環壽命更長、工作溫度范圍更寬、耐擠壓、耐震動等。
 
       但從制造工藝來說，半固態電池基本可沿用現有液態電池的制造工藝，生產難度遠遠小于全固態。
 
液態變固態，換“湯”也換“藥”
 
       但液態電池要直接升級為固態電池，就需要“改頭換面”了。
 
       如果把動力電池比作湯藥，那電解質可以說是“湯”，正負電極和隔膜可說成是“藥”。從液態電池到固態電池，不光是把“湯”換了，液態電解質變成固態，“藥”也逐步換了。基于目前固態電池的發展歷程，還可以將固態電池的發展分為三個階段：
來源/視覺中國
 
       第一階段：將傳統的電解液換成固態電解質，正負極和傳統用的是一樣，均采用負極石墨和正極三元鋰或磷酸鐵鋰；
 
       第二階段：更換負極材料，取消掉負極的石墨或硅，使用金屬鋰來提升能量密度；正極不變，采用磷酸鐵鋰或者三元材料。
 
       第三階段：正負極都換，負極用金屬鋰，正極就可以換成不含鋰的高能量的材料。
 
       如此來看，第一階段換的就是“湯”，第二三階段就是把“藥”也換掉了。
 
       換“湯”比較好理解，固體電解質相對于電解液，電化學范圍更廣（電壓更廣），電解質不參與化學反應，讓鋰離子通過。因此，可以選擇容量更大的正極材料，或者選擇電壓差更大的正負極材料，從而提高能量密度。
 
       那為什么要把作為“藥”的正負極也更新換代呢？
 
       按照目前提高電池能量密度的手段，在正極端不斷地提高鎳的含量雖然可以提升電池能量密度，但是高鎳電池對電池的穩定性要求具備更高的電池管理基礎。因此，三元鋰短期內要突破一個量級還是有一定的挑戰。未來，可能也只有固態電池會將電池能量密度提升一個量級。
 
       太藍新能源就在近日宣布成功制備出世界首塊車規級單體容量120Ah，實測能量密度達到720Wh/kg的超高能量密度體型化全固態鋰金屬電池。
 
       作為對比，目前磷酸鐵鋰電池的能量密度為160-180wh/kg左右，三元鋰在150-250Wh/kg之間。
 
       另外，固態電池憑借自身較高的機械強度在運用的過程中可以抑制電池循環使用之中的鋰枝晶的刺穿，使鋰金屬負極的應用不再是夢想。
 
       把電極換為金屬鋰，其比容高，電壓大，避免了液態電池用金屬鋰作負極會因多次充放電粉化、枝晶生長，導致循環性差，甚至枝晶刺穿薄膜，引起短路的風險。
 
固態想上位，至少還需20年？
 
       這些顯然就是固態電池大受歡迎的原因所在。
 
       高安全性一定是固態電池的首要優勢。根據有關數據，新能源汽車起火事故原因中，電池自燃占比31％。相較之下，固態電解質不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發、不漏液，同時具有一定機械強度，安全性更好；半固態電解質中液體占比也小于10%，可燃性大大降低。
 
       五一假期發生的多起新能源車燃燒事件，更讓消費者期待固態電池的到來。
 
       同時，固態電池擁有更高能量密度和較小體積。固態電池電化學窗口寬，能承受更高電壓（5V以上），材料選擇范圍廣。因此，可通過采用高比容量的正極、負極材料，使能量密度達到500Wh/kg甚至更高，遠超液態350Wh/kg理論極限。
來源/鏡觀臺拍攝
 
       而固態電解質取代隔膜和電解液，正負極之間的距離可以縮短到只有幾到十幾個微米，從而大幅降低電池厚度。因此，同樣電量情況下，固態電池體積更小。
 
       另外，固態電池還具備寬溫區運行的優勢。電動車在冬季續航里程之所以下滑明顯，主要在于液態電解質在冬季低溫環境下流動性下降。而固態電解質可以在-30℃至100℃的更廣泛溫度范圍內穩定工作。
 
       當然，固態電池也并非完美無缺，目前來看還是有很多缺點存在的。
 
       比如：與液態電解質相比，固態電解質與電極材料之間的接觸面積較小，導致離子傳輸速度較慢，影響了電池的充電和放電效率；界面電阻太大，使得快充過程中的能量損耗增加，快充效率受限；固態電池的充放電循環次數有限，循環壽命較短；生產技術尚不成熟，工藝復雜，生產效率低，導致其成本遠高于液態電池。
 
       這些顯然都是固態電池全面商業化必須面對的挑戰。
 
       歐陽明高就表示，全固態電池是公認的下一代電池的首選方案之一，也是下一代電池技術競爭的關鍵制高點，但是也要注意防范激進技術路線帶來的顛覆性風險。
 
       “液態電池的應用周期至少還有20年。固態電池要想替代液態鋰離子電池50%的市場份額，至少需要20至30年。”歐陽明高如是說。
 
       *題圖及文內部分配圖來源于視覺中國。
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 固態電池
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