被稱為下一代動力電池的固態電池 到底明年還是十年后才能量產?
發布時間:2020-01-03 14:30:24
關鍵詞:動力電池鋰電池
輝能科技,一家臺灣的固態電池初創公司,近期高調宣傳將于2021年實現固態電池的量產。去年8月還與蔚來簽下合作備忘錄,為蔚來定制生產“MAB”固態電池包。比在固態電池領域深耕多年的豐田步子邁得還要大。


然而近期寧德時代的一位電池開發負責人表示,寧德時代的全固態電池還在開發中,也制作了樣品,但要實現商品化,恐怕要到2030年以后。

一邊是后期新秀的豪言壯志,一邊是鋰電巨頭的謹慎保守。被稱為下一代動力電池的固態電池,到底明年就能量產,還是要等到10年后?

01 后起之秀“固態電池”

從1991年索尼公司將含有液態電解質的鋰離子電池帶入電子設備的應用至今,液態鋰電池已經成為目前最為成熟、使用最廣泛的技術路線之一。它主要是由正極、負極、隔膜、電解液組成,鋰電子通過電解液在電池的正負極來回跑,從而完成充放電的過程。

固態電池的根本原理和液態鋰電池相似,但選用固體電解質(鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導物質)取代了隔膜和電解液。這個差別會帶來怎樣的差異?

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,科學界認為鋰離子電池已經接近極限了。2019年寧德時代和比亞迪推出的CTP技術和刀片電池技術都是在組成形態和系統等其他方面做文章。

事實上采用固態電解質本身并不會直接提升電池的能量密度。

液態電解液與正負極材料可以全方位、包裹式接觸,接觸面積越大電阻值越小。由于接觸面不如液體,固態電池為了獲得較低的電阻,就需要更多的電解質。

這樣一來,電池體積占比一般會高于使用液態電解質的電池,如果其他不改變的話,能量密度反而會低于液態電解質電池。

固態鋰電能量密度顯著提升的秘訣主要有兩:

(1)用鋰金屬作負極。

目前的鋰離子電池的負極,主要是用石墨制造,但石墨負極的容量上限僅為370Ah/g左右。為了增加石墨的容量,會給它加入一些硅,但這又容易引起電池鼓包。

鋰金屬的容量是石墨的三倍以上。為何現在的鋰電池不用鋰金屬呢?

因為一旦用金屬鋰當負極,充電時,在鋰離子返回負極的過程中容易產生“枝晶”問題。鋰離子會在鋰金屬表面“發芽”,小樹枝如果刺破隔膜就容易短路,然后著火。因此科研人員才選用了容量較低,但不容易讓鋰離子產生“枝晶”問題的石墨作為負極。

如果電解液變成固態電解質,鋰離子就失去了長“小樹枝”的空間,完美解決了安全問題。

打個比方,正負極這兩個大口袋裝的鋰離子越多,能量密度越大。如果傳統鋰電池像手提袋,那固態鋰電就是個麻布袋。

(2)正極材料的選擇變多。

電解質相對于電解液的另一大優勢就是,在更廣的電壓范圍內,電解質不會參與化學反應,而是客客氣氣地讓鋰離子通過。這樣就可以選擇容量更大的正極材料或是選擇電壓差更高的正負極材料,以提升能量密度。

第二個差異是安全性的提升。

傳統鋰電池如果過充或遭到撞擊,抑或是隔膜質量不好,就容易發生短路,繼而引起火災。而固態電解質具有不可燃、不腐蝕、不揮發、不漏液等優勢,安全性能大大提升。如果將它應用到電動車上,就能省掉電池包外殼、冷卻等系統,可以節約空間、減輕重量,繼而提升電動汽車的續航能力。

除此之外它還具有循環次數多、造型豐富、輕薄、柔化性能優、體積小等優點。

02 老鼠老虎傻傻分不清楚

這么一個神仙產品,到底何時能實現量產?

實際上輝能和寧德時代或許說的都沒錯。但是仔細注意他們的用詞,前者用的是“固態電池”,后者用的是“全固態電池”。這兩個概念僅一字之差,卻有很大的差別。

“固態電池”不一定用的全都是固態電解質,可能是液態跟固態混合的,不同產商的混合比例不同。

“全固態鋰電池”則是一種在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態、不含任何液態組份的鋰電池,全稱是“全固態電解質鋰電池”,只有它才具有上述的所有優點,其他的幾個技術方向只是在當前的鋰離子電池的技術基礎上有所改進。

目前市面上說要量產的“固態電池”大多是“固態鋰離子電池”。這與上述的兩個概念化有什么異同?“固態鋰離子電池”的電解質是固態,但在電芯中有少量的液態電解質。姑且可以把它們看作往“全固態鋰電池”邁進的腳注,而后者才是終極目標。

所以市面上常說的“固態電池”和“固態鋰離子電池”準確地說應該統稱為“準固態電池”,要么是固態電解質、液態電解質相混合,要么是電芯是固態和液態相混合的,具體的比例各家不同。

這種文字游戲讓大家有些傻傻分不清楚,一不小心就以為人類即將擁抱一項顛覆性的技術了。

關于固態電池各國的方向略有差異。美國,以小公司、創業型公司為主。此前較為有名的Sakit3已經于2015年被英國的戴森(就是做吹風機的那位)收購。另一家是Soid State,同寶馬有合作。這幾家創業公司,立足于顛覆性技術,朝著“全固態電池”的方向沖擊。

中日韓則基本上選擇了更為穩妥的“固態鋰離子電池”。深耕固態電池領域多年的豐田,計劃在2020年的東京奧運會上推出商業化的產品,并計劃于2022年實現量產。但是豐田采用的是石墨類負極、硫化物電解質與高電壓正極的組合的方式。正負極并沒有太大變動,只是將隔膜和電解液換成電解質。

因此豐田做的也不是全固態鋰金屬電池,而是固態鋰離子電池。畢竟亞洲擁有最大、最全的鋰離子電池的產業鏈,不可能立即推倒重來。

總之,輝能的高調宣言或許不假,但是明年量產的只能是相對保守的固態鋰離子電池。而寧德時代目前潛心研制的“全固態電池”,還必須先攻克兩大難題:固體電解質材料離子電導率偏低;和固體電解質/電極間界面阻抗大,界面相容性較差,充放電過程中各材料的體積膨脹和收縮,導致界面容易分離。

一項顛覆性的技術,等上十年或許也是值得的!



稿件來源: 能見Eknower
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