固態(tài)電池的成為突破的選擇

 

電池的升級對于新能源汽車行業(yè)的重要性不言而喻，僅從市場最看重的成本而言，電池就占了整車成本的一半。新能源汽車其他的零部件技術(shù)已經(jīng)成熟，想要據(jù)此大幅度降低成本幾乎是不可能的了，那么想要降低價(jià)格以獲得市場優(yōu)勢，就不得不在電池上想辦法，可以說誰掌握了電池，誰就掌握了新能源汽車。在眾多電池技術(shù)的研發(fā)中，固態(tài)電池被當(dāng)成是下一個(gè)風(fēng)口，眾多企業(yè)紛紛投資研發(fā)，希望獲得突破。

 

不久前，財(cái)政部、科技部、工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于調(diào)整新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，其中明確規(guī)定了動(dòng)力電池補(bǔ)貼“增加動(dòng)力電池系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度要求，不低于90Wh/kg，對高于120Wh/kg的按1.1倍給予補(bǔ)貼。

 

而在四部委印發(fā)的《促進(jìn)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》中，更是明確了到2020年，鋰離子動(dòng)力電池單體要達(dá)到300Wh/kg，這對于動(dòng)力電池來說絕非易事，而固態(tài)電池技術(shù)很可能是為數(shù)不多的有希望的解決方案。

 

固態(tài)電池的優(yōu)缺點(diǎn)分析

 

前面有不少文章說過了固態(tài)電池的優(yōu)缺點(diǎn)，在此筆者簡單的再解釋一下。

 

優(yōu)點(diǎn)：

 

1、安全性能高。安全是最重要的，僅憑這一點(diǎn)固態(tài)電池就有了很大的優(yōu)勢。那么為什么固態(tài)電池安全性高呢?因?yàn)橐簯B(tài)的電解質(zhì)短路時(shí)，溫度升高，將電解質(zhì)點(diǎn)燃而發(fā)生爆炸。但固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題。

 

2、能量密度高。能量密度高主要是因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)一般擁有較寬的電化學(xué)窗口，就像一個(gè)個(gè)小框一樣，因此可以裝更多的高電壓正極材料。加上固態(tài)電池體積小、穩(wěn)定，可以讓電池管理更為簡化，能量密度自然會(huì)大大提高。

 

3、相對較輕。在傳統(tǒng)鋰離子電池中，隔膜和電解液加起來占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量，而使用固態(tài)電解質(zhì)自然就可以減小體積和質(zhì)量。

 

4、循環(huán)性能強(qiáng)。固態(tài)電解質(zhì)解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)界面膜的問題和鋰枝晶現(xiàn)象，大大提升了鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。

 

缺點(diǎn)：

 

1、界面阻抗過大。固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間的界面是固-固狀態(tài)，因此電極與電解質(zhì)之間的有效接觸較弱，離子在固體物質(zhì)中傳輸動(dòng)力學(xué)低。

 

2、快充比較難。電池的阻抗、電導(dǎo)率等問題表現(xiàn)出來就是內(nèi)阻大，就會(huì)阻礙充電，而且因?yàn)閮?nèi)阻大，在充電過程中會(huì)造成能量的損失，這部分能量的浪費(fèi)是無法忽視的問題。

 

3、成本價(jià)格高。成本是阻止商業(yè)化的最大因素，沒有利潤，自然沒有市場。固態(tài)電池制備工藝不夠成熟，電池使用數(shù)據(jù)收集不全面。僅是在全固態(tài)電池的電解質(zhì)制造，固-固界面優(yōu)化這兩個(gè)核心問題技術(shù)上的不成熟就足夠讓固態(tài)電池的成本居高不下了。

 

固態(tài)電池研究進(jìn)展

 

不久前記者從青島市科技局獲悉，依托中科院青島能源與過程研究所建設(shè)的青島市太陽能與儲(chǔ)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新造性地提出了“剛?cè)岵?jì)”聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建了復(fù)合電解質(zhì)材料體系，制備出一系列綜合性能優(yōu)異的固態(tài)聚合物電解質(zhì)體系，有效解決了聚合物電解質(zhì)各項(xiàng)性能不能兼顧的難題，發(fā)展了新型的固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵材料體系。據(jù)悉，實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的固態(tài)鋰電池通過了國家深?；毓芾碇行牡?000米和11000米壓力艙第三方檢測。

 

中科院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員郭玉國課題組在金屬鋰負(fù)極、固體電解質(zhì)及固態(tài)電池研究方面取得系列進(jìn)展。研究人員提出并開發(fā)了一種原位處理技術(shù)，成功在金屬鋰表面形成具有高楊氏模量、快速鋰離子輸運(yùn)能力的磷酸鋰固體電解質(zhì)界面膜，有效減少了金屬鋰與電解液的副反應(yīng)，抑制了鋰枝晶的生長，實(shí)現(xiàn)了金屬鋰/電解質(zhì)界面的均勻調(diào)控，有效控制碳球表面金屬鋰枝晶的生長并大幅提高鋰的利用率，在負(fù)極容量僅過量5%的條件下，電池仍能長期穩(wěn)定循環(huán)。

 

2017年8月，日本日立公司的研究人員宣布，其固態(tài)電池技術(shù)已研發(fā)完成。日立正在與一個(gè)未公開的日本電池制造商合作，完善一些細(xì)節(jié)上的問題，并在2020年之前將固態(tài)電池投放市場。

 

2017年6月，豐田向美國提交的一份編號為20170179545的固態(tài)電池專利申請被公開。研究表明，該固態(tài)電池由硫化固態(tài)電解質(zhì)和電極活性材料構(gòu)成，其中，電解質(zhì)材料的組成包括鋰、磷、硫、碘等四種元素;正極材料則包含了一種磷酸酯。該磷酸酯在正極材料中的重量占比范圍在1~30%不等。通過在正極材料中添加磷酸酯，該固態(tài)鋰電池的熱穩(wěn)定性得以改善。7月，豐田表示，計(jì)劃于2022年開始銷售由全固態(tài)電池提供動(dòng)力的電動(dòng)車。

 

寧德時(shí)代研發(fā)經(jīng)理郭永勝表示，寧德時(shí)代正在積極布局動(dòng)力電池下一代技術(shù)，在固態(tài)鋰電池方面的投入研發(fā)比較多，同時(shí)也在開發(fā)固態(tài)電池的制造工藝。

 

固態(tài)電池的時(shí)代已經(jīng)到來

 

固態(tài)電池其實(shí)并不是多么新鮮的事物。早在2010年，豐田就一直在固態(tài)電池領(lǐng)域默默探索。但是一直沒有起色，直到2016年12月份向美國專利局提交的固態(tài)電池專利終于獲批，才一鳴驚人，博得各大版面的頭條。中國工程院陳立泉院士也曾表示，如果現(xiàn)在還不布局全固態(tài)電池，將會(huì)錯(cuò)失發(fā)展時(shí)機(jī)。

 

北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國家工程實(shí)驗(yàn)室、中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛專業(yè)委員會(huì)委員孫立清博士曾表示，固態(tài)電解質(zhì)電池將是下一個(gè)風(fēng)口，是新能源電池未來主要發(fā)展趨勢。

 

美國麻省理工學(xué)院博士后王燕(音譯)和材料與工程學(xué)教授格布蘭德·塞達(dá)爾表示，固態(tài)電解質(zhì)將是“一個(gè)真正的游戲規(guī)則顛覆者”，它將打造出一款完美的電池——固態(tài)電解質(zhì)電池，解決目前鋰離子電池所面臨的絕大多數(shù)問題，讓電池的壽命、安全性以及成本之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。