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续航超1000km,不自燃!像薄膜一样的固态电池要来了?
2019-07-08 | 编辑: | 【 】| | 供稿部门:规划战略与信息中心
    

  进入2019年,新能源车的补贴门槛可谓是越来越高了,这也催生出了一波长续航电动车,像几何A、Aion S这类新推出的电动车续航里程已经提升到了500公里,电池的潜能正不断得到提升。 

  那么电池的潜能还能提升多少,电池的天花板在哪,电池技术还会革新嘛,一系列的问题用一句话或许可以回答,“三元锂电池是现在,固态电池是未来”。 

  三元锂电池的天花板 

  目前车用动力电池中,磷酸铁锂电池和三元锂电池是主流,前者安全性更高而后者则性能更优异,基于不同侧重磷酸铁锂电池目前主要用在大巴这类商用车上,三元锂电池则主要用在乘用车上。 

  三元锂电池是一种以镍钴元素作为正极材料,以锰盐或铝盐来稳定化学架构的锂电池,主要有NCM(镍钴锰)和NCA(镍钴铝)两种。 

  它的电池电压高,能量密度基本为240Wh/kg,在相同电池重量下,三元锂的能量密度是磷酸铁锂材料能量密度的1.7倍。 

  不过不同“配比”的三元锂电池它的能量密度也会有差异(镍、钴、锰/铝三者不同比例)。 

  在NCM电池中,按照镍钴锰三者含量的不同,可分为NCM111、NCM523、NCM622、NCM811(数字代表镍钴锰的比例)。 

  按照目前对电池续航里程的要求,高镍的NCM811是重点突破方向。因为随着镍元素含量的升高,三元正极材料的比容量逐渐升高,电芯的能量密度也会随之提高。 

  像特斯拉使用的21700 NCA三元锂电池电芯的能量密度高达260Wh/kg,是目前的量产电动车里最高的,它的镍钴铝比例为8:1.5:0.5,属于“高镍电池”。 

  但是也可以预见,三元锂电池的潜能已经逐渐到头了,300Wh/kg会是它难以逾越的鸿沟。 

  下一代电池?固态电池 

  固态电池前景不错,但它对于我们来说却还很陌生。 

  传统锂电池,是由正极、隔膜、负极,再灌上电解液制造而成;固态锂电池,顾名思义就是由固态电解质代替隔膜和电解液。 

  这对于电池提升有多大,形象的来说,使用固态电解质的固态电池相比传统锂电池,堪比固态硬盘对机械硬盘的性能提升。 

  高能量密度 

  固态电解质是制造固态电池的关键所在,使用全固态电解质后,锂离子电池的适用材料体系也会发生改变。 

  其中最关键的就是可以不用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以明显减轻负极材料的用量,金属锂具有高达3860 mA·h/g 的理论比容量及3.04 V的超负电极电势,是高比能电池的理想负极。当三元锂电池能量密度在300Wh/kg挣扎时,固态电池的能量密度能够轻松突破400Wh/kg。 

  也许有人会问,为什么现在的锂电池不用金属锂作负极? 

  传统锂电池如果采用金属锂当负极,金属锂在反复充放电过程中会出现粉化、枝晶生长等问题,导致其循环性极差;更为致命的是,锂枝晶生长造成电池短路还会引发严重的安全事故。 

  所以传统锂电池采用低容量,不容易让锂离子生根发芽的石墨作为负极。 

  可以想象,如果电解液变成固态电解质,金属锂在反复充放电过程中就不具备生长空间,问题完美解决。 

  要从根本上提升能量密度,除了改变负极材料,正极材料同样需要改变。 

  电解质相对于电解液来说电化学窗口会更宽,说人话就是在更广的电压范围内,电解质不会参与化学反应,老老实实让锂离子通过。 

  那就可以选择容量更大的正极材料,提高比能量;也可以选择电压差更高的的正负极材料,都可以达到提升能量密度的目的。 

  安全性更有保障 

  传统锂电池,如果遭到破坏或是隔膜质量不佳、过度充电等原因,会导致正负极直接接触,短路后能量瞬间释放,瞬间就会起火。 

  而固态电解质,不可燃、无腐蚀、不挥发、也不存在漏液问题,传统锂电面临的各种安全问题,固态锂电都不存在。 

  就算把固态电池捅个千疮百孔,它仍然可以工作。 

  可以实现薄膜柔性化 

  传统锂离子电池中,需要使用隔膜和电解液,它们加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代,正负极之间的距离可以缩短到甚至只有几到十几个微米,这样电池的厚度就能大大地降低。 

  这样一来制备成薄膜电池和柔性电池,未来就可以应用在智能穿戴和可植入式医疗设备中,所以要想实现电池的柔性化和薄膜化,全固态电池技术是必经之路。 

  优点一箩筐 

  固态电池的优点可以说是一箩筐,首先它的循环寿命会更长,固体电解质可以避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长锂枝晶刺穿隔膜问题,可以大大提升金属锂电池的循环性和使用寿命。 

  电池回收方面也简单的多,其本身没有液体,没有废液,处理起来也会更简单。此外充电速度方面也存在一定优势。 

  什么时候才能量产? 

  固态电池的出现可以说有点颠覆,但是需要解决的问题还有不少。 

  一是电导率偏低问题;二是界面阻抗和稳定性问题。 

  所谓电导率偏低,即电子通过的效率低;界面阻抗大、界面分离,就是正负极与隔膜的连接处存在电阻大,接触不良的问题。 

  解决办法是找到一种合适的电解质,让它的结构能达到既让锂离子顺畅通过,又能解决接触的问题。 

  目前有三种主流固态电解质,聚合物、氧化物、硫化物。 

  聚合物电解质 

  法国的Bolloré公司已经成功开发出聚合物电解质,它的负极采用金属锂,而且已经在公交、共享汽车上开始应用。 

  但缺点也很明显,使用前需将电池加热至60°C以上,才能维持固态电池内的导电能力。 

  氧化物电解质 

  氧化物电解质最大的问题是电导率一般比电解液还要低很多。 

  这条技术路线代表企业是美国的Sakti3,它的试验性产品也是采用的金属锂负极。 

  目前这家公司已经被戴森公司收购,可以看出这类电池主要适用于对电容量要求较小,但对安全和逼格要求颇高的消费电子产品。 

  硫化物电解质 

  硫化物电解质是大多数亚洲企业选择的路线,也代表了未来固态锂电的方向。 

  硫化物的各项参数相当不错,尤其是电导率较高,接近电解质,而且界面较为稳定。 

  这条技术路线执行最为彻底,也较为典型的当属丰田,起步早,专利积累多。 

  不过丰田做的不是全固态锂金属电池,而是固态锂离子电池,几个字的差别却大不相同。 

  它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,正负极并没有大幅变动,只是将隔膜和电解液换成电解质。 

  上下游产业链需打通 

  固态电池可能是未来电池技术的发展方向之一,但也只是之一。因为包括燃料电池、超级电容器、铝空气电池、镁电池理论上都有很大的发展空间,最终要看哪种路线发展更快、更接地气。 

  电池要达到商业化需要在规模和成本方面都能达到完美的平衡点,使用的材料不能是高成本且稀有的,并且要有实现大规模应用的可能。 

  目前液态锂电池的成本大约在1200~2000元/千瓦时,如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池,其成本会高达6万元,更别说为汽车供电的固态电池成本了。 

  固态电池生产打通和建立上下游产业链,一方面正负极材料供应商要能量产新材料;另一方面需要设备商同步研发新设备,每一步都可以说是牵一发动全身。 

  任何新技术、新产品刚出来成本都较高,一旦生产技术成熟、产量上去了,成本自然而然就能下来,这就需要像比亚迪或宁德时代这类巨型企业的巨量投入才有实现的可能了。 

 

  编辑:规划战略与信息中心 图书馆

  信息来源:https://www.mkv99.com/sb1HNJEefblA

 

 
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