噱头还是黑科技?固态电池究竟为何物

最好别惹我 2021-01-23 13:58:12

新年伊始,多家车企纷纷推出续航1000公里的电池,随后却被中科院院士炮轰“夸大营销”。事实上,目前业内主流观点认为,锂离子电池已经到达极限,固态电池才是未来电池技术的发展方向。那么,固态电池究竟是什么?电池的安全问题解决了吗?用户是否还要为里程而焦虑?何时才能量产等等?本篇文章将为你一一解答。


1、 什么是固态电池?


事实上,固态电池和传统锂电池(三元锂、磷酸铁锂电池等)的工作原理是相同的,都是靠着锂离子在电池的正负两极之间反复转移,从而实现充放电功能。业内也形象的将其称为“摇椅式电池”,锂离子就像运动员一样,在摇椅的两端来回奔跑。而两者不同的是,固态电池的电解质是固态,而传统锂电池的电解质是液态。


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大家都知道,传统(液态)锂离子电池由正极(三元材料或磷酸铁锂)、负极(石墨或硅碳)、电解液(碳酸酯类和六氟磷酸锂)、隔膜(多孔聚烯烃)组成。在工作时,除了需要液态电解质来传导锂离子,还需要隔膜来隔绝正、负电极,从而避免系统短路。


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而固态锂电池则是采用固态电解质来代替电解液和隔膜,在结构上更简单且具有较好的绝缘性,能够有效避免因正、负极接触而发生短路现象。当然,固态电池并非只是更换电解质那么简单,其正、负极材料也会根据化学特性进行重新匹配,从而达到更高的综合性能表现。


需要注意的是,根据液态电解质质量百分比含量,固态电池还分为了“半固态”、“准固态”、“全固态”三大类。可以看出,“固态电池”和“全固态电池”之间是包含关系,就好比“锂电池”和“锂离子电池”一样。


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再往下细分,全固态电池又分为了“全固态锂一次电池”和“全固态锂二次电池”,其中前者已经投入商用(不可循环使用);而后者则是目前行业内重点研究的对象。其中,全固态锂二次电池根据正负极材料的不同,又分为了全固态锂离子电池和全固态锂金属电池。总的来说,固态电池是一个较大的门类,并不能一概而论。(注:目前大家普遍认为固态电池就是全固态锂电池,这是错误的)


2、固态电池有哪些优点?


在了解固态电池的优点前,先让我们回顾下当下锂离子电池的“痛点”,相信大家脱口而出肯定是“里程焦虑”和“不安全”。事实上,传统(液态)锂离子电池的能量密度和热失控一直是其发展道路上的“拦路虎”,而固态电池则在这两方面都有了质的提升。


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安全性较高:液态电解质中含有易燃的有机溶剂,系统内部短路时容易造成安全隐患。而固态电解质具有不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液等特性,还拥有不错的绝缘性,并且在高温下不发生副反应,因此安全性相比传统(液态)锂电池有了质的提升。


能量密度高:由于固态电池没有隔膜和电解液,节约了近40%的体积和25%的质量,从而可以提升电池组的能量密度。此外,再配合新的正、负极材料,比如锂金属做负极,理论上电池的比能量可以轻松突破350Wh/kg的天花板,甚至有望达到500Wh/kg。


循环寿命更长:液态电解质在充放电过程中,会出现界面膜和锂枝晶刺穿隔膜等现象,固态电解质则可以有效避免上述问题,从而大幅度提升电池的循环次数和使用寿命(在理想状态下,循环次数能够达到4.5万次)。


适用范围更广泛:由于采用固态电解质,电池的形态将不再受到严格限制;并且工作温度范围更广(-25℃-60℃),因此可以适用于更多场景。此外,固态电解质的电化学窗口更宽(5V以上),可以适用于高电压型电极材料,有利于进一步提升能量密度。


3、固态电池有哪些不足?


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电导率较低,难以进行快充:由于固态电解质与正、负极材料之间是固-固接触的状态(液态电解质为液-固接触),电极与电解质之间的有效接触面积较小,导致锂离子的传输效率大大降低,因此电导率要比液态电解质低10倍以上。较低的电导率也使得固态电池很难进行快充,并且当车辆需要大功率放电时,还可能会出现供电不足的现象。


成本相对较高:成本是固态电池技术目前商业化最大的挑战,主要是因为固态电池制备工艺尚处于研发阶段,产业化还不完善,因此导致成本较高。整体来看,固态电池技术仍处在成熟技术到产业化过渡阶段,还需物料价格下降、工艺改进以及更加稳定的供应链体系。


可以看出,固态电池的优缺点非常鲜明,其具备更好的安全性、更高的能量密度以及柔性,这都是传统(液态)锂电池难以突破的瓶颈;固态电池的缺点同样非常致命,其电导率较低而导致难以快充,并且成本较高短期很难进行商业化。总的来说,从短期来看,固态电池和传统锂离子电池各有利弊,可能会并行发展;不过从长期来看,一旦快充和成本问题得到解决,固态电池将具有传统锂离子电池无可比拟的优势。


4、固态电池目前发展现状


前面我们曾提到,固态电池在安全性方面相比传统(液态)锂电池有了质的提升,这是与消费者最紧密相关的特性。除此之外,目前大力发展固态电池的另外一个原因是为了提高能量密度,这一方面是用户对续航里程的需求不断提升,另一方面则是政策的引导。


近年来,虽然新能源汽车补贴政策经历了多次调整,但对于高续航、高能量密度的产品依旧大力支持。不过有专家曾指出,三元锂离子动力电池目前已经可以看到能量密度的“天花板”(难以突破350Wh/kg),未来要突破瓶颈,达到2025年的400Wh/kg,可能需要寄希望于固态电池。(注:目前主流商用锂电池能量密度不到250Wh/kg)


由此可见,固态电池几乎可以视为传统(液态)锂电池的继任者,这也是各国家和企业大力研发的原因。根据国家知识产权战略网的统计显示,截止到2018年12月31日,全球在固态锂电池领域提交专利申请共9232件,其中日本在该领域的专利申请量最多,占申请总量的41%;中国和美国次之,占比分别为23%和18%;韩国占比为11%。


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在产业化进度方面,中日韩欧美共53家企业布局研发固态电池,其中9家专注硫化物固态电池。其中,日本联合丰田、松下等公司和高校发展硫化物固态电池,预计到2025、2030年,硫化物全固态电池在日本动力电池市场的渗透率分别达50%、95%以上;韩国三星也已经开发出60℃下1000多次循环的硫化物全固态电池。


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在国内方面,固态电池的研发主要依托于中科院等科研机构,并且在氧化物固态电池技术方面全球领先。值得一提的是,近几年部分企业开始尝试将科研成果进行产业化,其中辉能科技、清陶能源、北京卫蓝、赣锋锂业等已经推出了商用产品。


5、固态电池未来展望


虽然目前中国在固态电池领域的积累跟日本等国还有一定的差距,不过得益于市场的巨大需求,近年来也在不断赶超。另外,政策也给予了固态电池极大的关注,在2019年末发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》中,还首次将固态电池上升到了国家层面。


中科院院士欧阳明高指出:“2025年的目标(400Wh/kg)可以依靠正极材料由高镍三元向高容量富锂锰基材料转变实现,但基本到达极限;而要想实现2030年目标(400Wh/kg),固体电解质层面的突破是一条必由之路。


正是由于潜力巨大,全球不少车企已纷纷加码固态电池领域。其中,丰田的技术储备最为深厚,拥有一千多项固态电池的相关专利,并计划在2021年的东京奥运会上推出固态电池的商用车型;大众汽车也早在2012年就开始布局固态电池领域。此外,宝马、雷诺日产联盟、现代等海外车企也均在积极布局。


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根据SNE Researchd的测算,2025年固态电池全球市场空间有望达到60亿元,中国市场这一数值将有望达到30亿元;2030年全球固态电池需求有望接近500GWh,总产值将达200亿元。总的来说,从长期视角来看,固态电池很有可能成为未来的主流电池。


6、蔚来的固态电池是不是“真固态”?


看完了以上对固态电池的介绍,让我们再看判断下蔚来在NIO Day 2020上发布的固态电池是不是“真固态”?根据官方介绍,该电池的正极为高镍材料,负极采用硅碳,而电解质为“固化工艺的固液电解质”。单从“固液电解质”和硅碳负极来看,首先可以排除的是全固态锂电池。


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而据蔚来汽车电池系统助理副总裁曾士哲的描述,该电池仍需要电解液、隔膜。事实上,半固态锂电池的内部结构与传统(液态)锂电池的结构相近,但与全固态电池还是有本质的区别。另外,蔚来创始人、CEO李斌也表示:“全固态电池的量产还是很远的事情,原因是目前固态电池的市场需求很低。”因此,也从侧面证实了该产品是“半固态电池”。


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此外,最近关注度较高的广汽埃安石墨烯基电池和硅负极电池、智己汽车的掺硅补锂电池,在原理上也都不属于固态电池的范畴,它们都是在现有三元锂电池的基础上,对电极材料进行了优化,从而提升电池的整体性能,但并没有本质上的创新。


总的来说,固态电池的技术路线是正确的,但目前还不具备商业化的条件,主流观点认为需要到2025-2030年才能大规模量产。因此,各大车企开始提前布局固态电池领域,这本身是无可非议的,不过如果打着“固态电池”的噱头,来混淆概念、误导消费者,这样的做法也是万万不可取的。你认为固态电池能否成为革命性的“黑科技”?不妨在评论区进行讨论。


来源:汽车之家

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