充電時(shí)間極短，續(xù)航里程超長(zhǎng)，很多新聞都是這樣形容固態(tài)電池的。前不久電動(dòng)汽車制造商菲斯科(Fisker)申請(qǐng)了一項(xiàng)固態(tài)電池專利，有媒體報(bào)道能使電動(dòng)汽車的續(xù)航能力提高到804公里，而且使充電時(shí)間也縮短到一分鐘。此前，豐田、日立等企業(yè)也都曾聲稱已申請(qǐng)了固體電池的相關(guān)專利。從世界范圍看，固態(tài)電池有望在2025年前后迎來商業(yè)化量產(chǎn)。

 

我們不禁要問，固態(tài)電池到底有何神奇之處?如今，固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)突破、專利申請(qǐng)的新聞層出不窮，在驚嘆固態(tài)電池可以實(shí)現(xiàn)“極速充電+超長(zhǎng)續(xù)航”的時(shí)候，也要看清是否能在通常條件下實(shí)現(xiàn)這種電池的量產(chǎn)推廣。分析菲斯科固態(tài)電池超高性能的實(shí)現(xiàn)路徑，筆者請(qǐng)教相關(guān)專家得出的結(jié)論是，如果采用聚合物固態(tài)電解質(zhì)路線，這種極速快充很可能是建立在實(shí)驗(yàn)室特殊條件(高溫充電)下試驗(yàn)樣件基礎(chǔ)之上的。“拋開商業(yè)化談技術(shù)”都是耍流氓，在我們關(guān)注材料技術(shù)新突破時(shí)，不妨也多關(guān)注一下固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝及量產(chǎn)設(shè)備有何等進(jìn)展。

 

顧名思義，電解液在常溫下的物質(zhì)形態(tài)是液體，具有一定的流動(dòng)性，而所謂的固態(tài)電解質(zhì)就是要將這種液態(tài)(或膠態(tài))的分散系替換成固態(tài)電解質(zhì)。

 

相比于具有流動(dòng)性的電解液，固態(tài)電解質(zhì)的特點(diǎn)非常明顯：

 

安全性極高——固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}，克服了鋰枝晶現(xiàn)象，因而全固態(tài)電池具有極高安全性;

 

能量密度提升——固態(tài)電解質(zhì)比有機(jī)電解液普遍具有更寬的電化學(xué)窗口，有利于進(jìn)一步提升電池的能量密度;固態(tài)電解質(zhì)能阻隔鋰枝晶生長(zhǎng)，材料應(yīng)用體系范圍大幅提升，為具有更高能量密度空間的新型鋰電技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

 

回過頭來再看Fisker的這項(xiàng)固態(tài)電池專利，外界傳聞“充電1分鐘續(xù)航800km”的說法過于籠統(tǒng)，沒有明確具體車輛和工況。筆者請(qǐng)教相關(guān)專家得出的結(jié)論是，如果采用聚合物固態(tài)電解質(zhì)路線，這種極速快充很可能是建立在實(shí)驗(yàn)室特殊條件(高溫充電)下試驗(yàn)樣件基礎(chǔ)之上的。

 

按照之前報(bào)道的說法，F(xiàn)isker的專利采用了所謂的“三維固態(tài)”電解質(zhì)，這一點(diǎn)非常符合無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的特點(diǎn)。雖然有些無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)(比如基于團(tuán)簇離子的反鈣鈦礦鋰離子超導(dǎo)體)在室溫下具有可以和液態(tài)電解質(zhì)相比擬的離子電導(dǎo)率，但是在體積變化(這就是為什么很多固態(tài)電池樣件都是做成軟包疊片電池)、界面電荷轉(zhuǎn)移電阻、靈活性和較差的循環(huán)穩(wěn)定性等方面存在諸多問題。

 
 

Fisker預(yù)計(jì)它們的固態(tài)電極技術(shù)可以在2023年被用在電動(dòng)汽車中，這個(gè)與大多數(shù)相關(guān)電池的公司的時(shí)間點(diǎn)非常契合，從世界范圍看，預(yù)計(jì)固態(tài)電池會(huì)在2020年左右能夠?qū)崿F(xiàn)小批量的量產(chǎn)。寶馬聲稱有望于2026年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池突破性進(jìn)展并隨后量產(chǎn);豐田也正在全力研發(fā)固態(tài)電池，并且已經(jīng)開發(fā)出能量密度為400 Wh/kg的電池原型，大約在2020年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計(jì)到2025年能得到實(shí)質(zhì)性改善。

 

 

市面上常見鋰離子電池，由于電解液為有機(jī)溶劑體系，電池的正、負(fù)極需要用隔膜分隔開來，防止兩極接觸而短路，而固態(tài)電池則不需要隔膜。看似是減少了生產(chǎn)工藝，但實(shí)際上固態(tài)電池卻面臨著更多問題。

 

北京衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司總經(jīng)理俞會(huì)根指出，由于固態(tài)電池的電解質(zhì)材料均為固體，導(dǎo)電過程是點(diǎn)接觸，因此電池制造過程中需解決基于界面阻抗大、界面穩(wěn)定性不良、界面應(yīng)力變化等引起的問題;此外，固態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中體積膨脹和收縮，導(dǎo)致界面容易分離，就現(xiàn)階段技術(shù)水平而言，還有較大的提升空間。

 

為了適應(yīng)不同的固態(tài)電解質(zhì)，常見的磷酸鐵鋰和NMC三元鋰正極材料、石墨負(fù)極材料可能無法很好的適用與固體電解質(zhì)，需要設(shè)計(jì)和構(gòu)建與固態(tài)電解質(zhì)相匹配的電極，研究和開發(fā)出適合于固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池新體系。

 

從理論的提出時(shí)間來看，固態(tài)電池并不是一個(gè)新的概念，但多年來，研發(fā)上的進(jìn)展并沒有想象那么快速。即便能在成本上的降低，電池從實(shí)驗(yàn)室到最終的量產(chǎn)也需要時(shí)間。日韓、美國(guó)、歐洲等多個(gè)國(guó)家的固態(tài)電池技術(shù)基本都處于小容量樣品電芯階段，量產(chǎn)工藝不成熟，固態(tài)電池距商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

 

當(dāng)前，如何制備出穩(wěn)定性好、電導(dǎo)率高的電解質(zhì)材料顯得非常重要，采用固體電解質(zhì)制備全固態(tài)電池可以從根本上解決鋰離子電池現(xiàn)有的安全問題。為了實(shí)現(xiàn)固體電解質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用，關(guān)鍵要使其滿足以下方面的性能：

 

1、常溫離子電導(dǎo)率應(yīng)達(dá)到10-3S/cm或更高;

 

2、具有好的電化學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性;

 

3、與電極之間相容性很好;

 

4、多孔的結(jié)構(gòu)和高的吸液率;

 

5、有較好的延伸率和機(jī)械強(qiáng)度。

 

正如液態(tài)鋰離子電池，在20世紀(jì)70年代，相關(guān)的理念和實(shí)驗(yàn)認(rèn)證就在齊頭并進(jìn)地推進(jìn)，但真正大規(guī)模的使用，已經(jīng)是20世紀(jì)末了。

 

 

作為未來動(dòng)力電池技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向，我們現(xiàn)在可以對(duì)固態(tài)電池做一個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)概括：

 

1、固態(tài)電解質(zhì)相比于現(xiàn)今常見的電解液鋰離子電池，是一種技術(shù)上的顛覆，需要設(shè)計(jì)和構(gòu)建與固態(tài)電解質(zhì)相匹配的電極，研究和開發(fā)出適合于固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池新體系;

 

2、固態(tài)電池的量產(chǎn)工藝上需要很大的改進(jìn)，畢竟動(dòng)力電池單體注液機(jī)已經(jīng)非常成熟了，而固態(tài)電解質(zhì)的添加工藝還沒有完全成型，量產(chǎn)設(shè)備不成熟;

 

3、在通常使用條件下，無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于體積變化、界面電荷轉(zhuǎn)移電阻、靈活性和較差的循環(huán)穩(wěn)定性等問題;聚合物固態(tài)電解質(zhì)雖然克服了無機(jī)固體電解質(zhì)的這些局限性(具有良好的靈活性并且能與電極緊密接觸)，但是其電化學(xué)穩(wěn)定窗口小、離子電導(dǎo)率(室溫)差。

 

原標(biāo)題:充電1分鐘續(xù)航800km？揭秘菲斯科固態(tài)電池“神話”