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噱頭還是黑科技?固態電池究竟為何物

東吳財經通發布時間:2021-10-16 07:40:23

帕薩特2020款報價及圖片

新年伊始,多家車企紛紛推出續航1000公里的電池,隨后卻被中科院院士炮轟“夸大營銷”。事實上,目前業內主流觀點認為,鋰離子電池已經到達極限,固態電池才是未來電池技術的發展方向。那么,固態電池究竟是什么?電池的安全問題解決了嗎?用戶是否還要為里程而焦慮?何時才能量產等等?本篇文章將為你一一解答。

快速了解全文:

★固態電池最大的優點是安全性高、能量密度大;缺點則是成本較高、難以快充;

★ 固態電池大規模商用預計會在2025-2030年以后;

★ 目前三元鋰電池的能量密度已接近極限,全固態鋰電池有望成為下一代主流產品;

★ 豐田在固態電池領域積淀深厚,近年來中國的企業也在奮力直追。

★蔚來推出的“固態電池”為半固態鋰離子電池,與全固態鋰電池有本質上的區別。

1、 什么是固態電池?

事實上,固態電池和傳統鋰電池(三元鋰、磷酸鐵鋰電池等)的工作原理是相同的,都是靠著鋰離子在電池的正負兩極之間反復轉移,從而實現充放電功能。業內也形象的將其稱為“搖椅式電池”,鋰離子就像運動員一樣,在搖椅的兩端來回奔跑。而兩者不同的是,固態電池的電解質是固態,而傳統鋰電池的電解質是液態。

大家都知道,傳統(液態)鋰離子電池由正極(三元材料或磷酸鐵鋰)、負極(石墨或硅碳)、電解液(碳酸酯類和六氟磷酸鋰)、隔膜(多孔聚烯烴)組成。在工作時,除了需要液態電解質來傳導鋰離子,還需要隔膜來隔絕正、負電極,從而避免系統短路。

而固態鋰電池則是采用固態電解質來代替電解液和隔膜,在結構上更簡單且具有較好的絕緣性,能夠有效避免因正、負極接觸而發生短路現象。當然,固態電池并非只是更換電解質那么簡單,其正、負極材料也會根據化學特性進行重新匹配,從而達到更高的綜合性能表現。

需要注意的是,根據液態電解質質量百分比含量,固態電池還分為了“半固態”、“準固態”、“全固態”三大類??梢钥闯?,“固態電池”和“全固態電池”之間是包含關系,就好比“鋰電池”和“鋰離子電池”一樣。

再往下細分,全固態電池又分為了“全固態鋰一次電池”和“全固態鋰二次電池”,其中前者已經投入商用(不可循環使用);而后者則是目前行業內重點研究的對象。其中,全固態鋰二次電池根據正負極材料的不同,又分為了全固態鋰離子電池和全固態鋰金屬電池??偟膩碚f,固態電池是一個較大的門類,并不能一概而論。(注:目前大家普遍認為固態電池就是全固態鋰電池,這是錯誤的)

2、固態電池有哪些優點?

在了解固態電池的優點前,先讓我們回顧下當下鋰離子電池的“痛點”,相信大家脫口而出肯定是“里程焦慮”和“不安全”。事實上,傳統(液態)鋰離子電池的能量密度和熱失控一直是其發展道路上的“攔路虎”,而固態電池則在這兩方面都有了質的提升。

●安全性較高:液態電解質中含有易燃的有機溶劑,系統內部短路時容易造成安全隱患。而固態電解質具有不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液等特性,還擁有不錯的絕緣性,并且在高溫下不發生副反應,因此安全性相比傳統(液態)鋰電池有了質的提升。

●能量密度高:由于固態電池沒有隔膜和電解液,節約了近40%的體積和25%的質量,從而可以提升電池組的能量密度。此外,再配合新的正、負極材料,比如鋰金屬做負極,理論上電池的比能量可以輕松突破350Wh/kg的天花板,甚至有望達到500Wh/kg。

●循環壽命更長:液態電解質在充放電過程中,會出現界面膜和鋰枝晶刺穿隔膜等現象,固態電解質則可以有效避免上述問題,從而大幅度提升電池的循環次數和使用壽命(在理想狀態下,循環次數能夠達到4.5萬次)。

● 適用范圍更廣泛:由于采用固態電解質,電池的形態將不再受到嚴格限制;并且工作溫度范圍更廣(-25℃-60℃),因此可以適用于更多場景。此外,固態電解質的電化學窗口更寬(5V以上),可以適用于高電壓型電極材料,有利于進一步提升能量密度。

3、固態電池有哪些不足?

●電導率較低,難以進行快充:由于固態電解質與正、負極材料之間是固-固接觸的狀態(液態電解質為液-固接觸),電極與電解質之間的有效接觸面積較小,導致鋰離子的傳輸效率大大降低,因此電導率要比液態電解質低10倍以上。較低的電導率也使得固態電池很難進行快充,并且當車輛需要大功率放電時,還可能會出現供電不足的現象。

●成本相對較高:成本是固態電池技術目前商業化最大的挑戰,主要是因為固態電池制備工藝尚處于研發階段,產業化還不完善,因此導致成本較高。整體來看,固態電池技術仍處在成熟技術到產業化過渡階段,還需物料價格下降、工藝改進以及更加穩定的供應鏈體系。

★本章小結:

可以看出,固態電池的優缺點非常鮮明,其具備更好的安全性、更高的能量密度以及柔性,這都是傳統(液態)鋰電池難以突破的瓶頸;固態電池的缺點同樣非常致命,其電導率較低而導致難以快充,并且成本較高短期很難進行商業化??偟膩碚f,從短期來看,固態電池和傳統鋰離子電池各有利弊,可能會并行發展;不過從長期來看,一旦快充和成本問題得到解決,固態電池將具有傳統鋰離子電池無可比擬的優勢。

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