固態電池的成為突破的選擇

 

電池的升級對于新能源汽車行業的重要性不言而喻，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已經成熟，想要據此大幅度降低成本幾乎是不可能的了，那么想要降低價格以獲得市場優勢，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。在眾多電池技術的研發中，固態電池被當成是下一個風口，眾多企業紛紛投資研發，希望獲得突破。

 

不久前，財政部、科技部、工業和信息化部、發展改革委聯合發布了《關于調整新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，其中明確規定了動力電池補貼“增加動力電池系統的質量能量密度要求，不低于90Wh/kg，對高于120Wh/kg的按1.1倍給予補貼。

 

而在四部委印發的《促進動力電池產業發展行動方案》中，更是明確了到2020年，鋰離子動力電池單體要達到300Wh/kg，這對于動力電池來說絕非易事，而固態電池技術很可能是為數不多的有希望的解決方案。

 

固態電池的優缺點分析

 

前面有不少文章說過了固態電池的優缺點，在此筆者簡單的再解釋一下。

 

優點：

 

1、安全性能高。安全是最重要的，僅憑這一點固態電池就有了很大的優勢。那么為什么固態電池安全性高呢?因為液態的電解質短路時，溫度升高，將電解質點燃而發生爆炸。但固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題。

 

2、能量密度高。能量密度高主要是因為固態電解質一般擁有較寬的電化學窗口，就像一個個小框一樣，因此可以裝更多的高電壓正極材料。加上固態電池體積小、穩定，可以讓電池管理更為簡化，能量密度自然會大大提高。

 

3、相對較輕。在傳統鋰離子電池中，隔膜和電解液加起來占據了電池中近40%的體積和25%的質量，而使用固態電解質自然就可以減小體積和質量。

 

4、循環性能強。固態電解質解決了液態電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜的問題和鋰枝晶現象，大大提升了鋰電池的循環性和使用壽命。

 

缺點：

 

1、界面阻抗過大。固態電解質與電極材料之間的界面是固-固狀態，因此電極與電解質之間的有效接觸較弱，離子在固體物質中傳輸動力學低。

 

2、快充比較難。電池的阻抗、電導率等問題表現出來就是內阻大，就會阻礙充電，而且因為內阻大，在充電過程中會造成能量的損失，這部分能量的浪費是無法忽視的問題。

 

3、成本價格高。成本是阻止商業化的最大因素，沒有利潤，自然沒有市場。固態電池制備工藝不夠成熟，電池使用數據收集不全面。僅是在全固態電池的電解質制造，固-固界面優化這兩個核心問題技術上的不成熟就足夠讓固態電池的成本居高不下了。

 

固態電池研究進展

 

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的青島市太陽能與儲能技術重點實驗室創新造性地提出了“剛柔并濟”聚合物電解質的設計理念，構建了復合電解質材料體系，制備出一系列綜合性能優異的固態聚合物電解質體系，有效解決了聚合物電解質各項性能不能兼顧的難題，發展了新型的固態電解質關鍵材料體系。據悉，實驗室開發的固態鋰電池通過了國家深海基地管理中心的8000米和11000米壓力艙第三方檢測。

 

中科院化學研究所分子納米結構與納米技術院重點實驗室研究員郭玉國課題組在金屬鋰負極、固體電解質及固態電池研究方面取得系列進展。研究人員提出并開發了一種原位處理技術，成功在金屬鋰表面形成具有高楊氏模量、快速鋰離子輸運能力的磷酸鋰固體電解質界面膜，有效減少了金屬鋰與電解液的副反應，抑制了鋰枝晶的生長，實現了金屬鋰/電解質界面的均勻調控，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，在負極容量僅過量5%的條件下，電池仍能長期穩定循環。

 

2017年8月，日本日立公司的研究人員宣布，其固態電池技術已研發完成。日立正在與一個未公開的日本電池制造商合作，完善一些細節上的問題，并在2020年之前將固態電池投放市場。

 

2017年6月，豐田向美國提交的一份編號為20170179545的固態電池專利申請被公開。研究表明，該固態電池由硫化固態電解質和電極活性材料構成，其中，電解質材料的組成包括鋰、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，該固態鋰電池的熱穩定性得以改善。7月，豐田表示，計劃于2022年開始銷售由全固態電池提供動力的電動車。

 

寧德時代研發經理郭永勝表示，寧德時代正在積極布局動力電池下一代技術，在固態鋰電池方面的投入研發比較多，同時也在開發固態電池的制造工藝。

 

固態電池的時代已經到來

 

固態電池其實并不是多么新鮮的事物。早在2010年，豐田就一直在固態電池領域默默探索。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，如果現在還不布局全固態電池，將會錯失發展時機。

 

北京理工大學電動車輛國家工程實驗室、中國電工技術學會電動車輛專業委員會委員孫立清博士曾表示，固態電解質電池將是下一個風口，是新能源電池未來主要發展趨勢。

 

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