固態(tài)電池

簡(jiǎn)介

在固態(tài)離子學(xué)中，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解液的電池。固態(tài)電池一般功率密度較低，能量密度較高。由于固態(tài)電池的功率重量比較高，所以它是電動(dòng)汽車(chē)很理想的電池 。

2030年，鋰離子電池將不再是電動(dòng)汽車(chē)電池主流，但其在某些電子原件領(lǐng)域仍有一席之地。1據(jù)SNE Researchd的測(cè)算，2025年我國(guó)固態(tài)電池市場(chǎng)空間有望達(dá)30億元，2030年有望達(dá)到200億元。

歷程

從1991年索尼公司將含有液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池帶入電子設(shè)備的應(yīng)用至今，液態(tài)鋰電池已經(jīng)成為目前最為成熟、使用最廣泛的技術(shù)路線(xiàn)之一。

在2010年，豐田就曾推出過(guò)續(xù)航里程可超過(guò)1000KM的固態(tài)電池。而包括QuantumScape以及Sakti3所做的努力也都是在試圖用固態(tài)電池來(lái)取代傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池。

加拿大Avestor公司也曾嘗試過(guò)研發(fā)固態(tài)鋰電池，最終2006年正式申請(qǐng)破產(chǎn)。Avestor公司使用一種高分子聚合物分離器，代替電池中的液體電解質(zhì)，但一直沒(méi)有解決安全問(wèn)題，在北美地區(qū)發(fā)生過(guò)幾起電池燃燒或者爆炸事件。

2015年3月中旬，真空吸塵器的發(fā)明者、英國(guó)戴森公司（Dyson）創(chuàng)始人詹姆斯·戴森將其首筆1500萬(wàn)美元的投資投向了固態(tài)電池公司Sakti3，后者是一家成立于2007年的電池創(chuàng)業(yè)公司。

2018年1月消息，一項(xiàng)突破性的全新電池技術(shù)似乎終于接近現(xiàn)實(shí)。如果達(dá)到預(yù)期的話(huà)，新技術(shù)能滿(mǎn)足手機(jī)上癮者數(shù)天的使用需求，并且能使電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程增加到500英里（約804公里）以上。這項(xiàng)新技術(shù)被稱(chēng)為固態(tài)電池技術(shù)，它用陶瓷材料取代了當(dāng)今電池中的液態(tài)電解質(zhì)。

2018年1月，它與寶馬公司結(jié)盟，后者已經(jīng)承諾在未來(lái)10年內(nèi)為其生產(chǎn)的每一款產(chǎn)品提供某種形式的電池組件，無(wú)論是傳統(tǒng)的混合動(dòng)力車(chē)、插電式電動(dòng)車(chē)還是純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）。1

2021年1月9日，蔚來(lái)汽車(chē)發(fā)布全新150kWh固態(tài)電池包，搭載這項(xiàng)技術(shù)的蔚來(lái)電動(dòng)車(chē)預(yù)計(jì)于2022年第四季度交付，續(xù)航里程有望超過(guò)1000公里。

2022年1月22日，搭載贛鋒固態(tài)電池的東風(fēng)E70示范運(yùn)營(yíng)車(chē)在新余首發(fā)，首批50臺(tái)固態(tài)電池示范運(yùn)營(yíng)車(chē)正式投放市場(chǎng)。贛鋒鋰電二期年產(chǎn)10GWh新型鋰電池項(xiàng)目首條生產(chǎn)線(xiàn)也于當(dāng)日正式投產(chǎn)。

2022年，我國(guó)動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新能力不斷提高，三元電池系統(tǒng)能量密度最大值提升至212Wh/kg，磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)能量密度最大值提升至176.1Wh/kg；純電動(dòng)乘用車(chē)單車(chē)平均帶電量提升至50.9kWh，續(xù)航400公里以上車(chē)型占比提升至70.7%。5

原理

傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池又被科學(xué)家們形象地稱(chēng)為“搖椅式電池”，搖椅的兩端為電池的正負(fù)兩極，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。而鋰離子就像優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑，在鋰離子從正極到負(fù)極再到正極的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電池的充放電過(guò)程便完成了。

固態(tài)電池的原理與之相同，只不過(guò)其電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進(jìn)而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態(tài)電池體積將變得更小。不僅如此，固態(tài)電池中由于沒(méi)有電解液，封存將會(huì)變得更加容易，在汽車(chē)等大型設(shè)備上使用時(shí)，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕重量。1

優(yōu)勢(shì)

優(yōu)勢(shì)一

輕——能量密度高。使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會(huì)發(fā)生改變，其中核心的一點(diǎn)就是可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負(fù)極，這樣可以明顯減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高。2

優(yōu)勢(shì)二

薄——體積小。傳統(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來(lái)占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量。而如果把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代（主要有有機(jī)和無(wú)機(jī)陶瓷材料兩個(gè)體系），正負(fù)極之間的距離（傳統(tǒng)上由隔膜電解液填充，現(xiàn)在由固態(tài)電解質(zhì)填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個(gè)微米，這樣電池的厚度就能大大地降低——因此全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。2

優(yōu)勢(shì)三

柔性化的前景。即使是脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米級(jí)以下后經(jīng)常是可以彎曲的，材料會(huì)變得有柔性。相應(yīng)的，全固態(tài)電池在輕薄化后柔性程度也會(huì)有明顯的提高，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)姆庋b材料（不能是剛性的外殼），制成的電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減。2

優(yōu)勢(shì)四

更安全。傳統(tǒng)鋰電池可能發(fā)生以下危險(xiǎn)：(1) 在大電流下工作有可能出現(xiàn)鋰枝晶，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路破壞 (2)電解液為有機(jī)液體，在高溫下發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會(huì)加劇。采用全固態(tài)電池技術(shù)，以上兩點(diǎn)問(wèn)題就可以直接得到解決2

爭(zhēng)議

固態(tài)電池可能是未來(lái)電池技術(shù)的發(fā)展方向之一，但也許不是最好的?！鄙鲜鲂履茉瓷a(chǎn)企業(yè)的技術(shù)人員稱(chēng)，“包括燃料電池、超級(jí)電容器、鋁空氣電池、鎂電池在理念上都有較大的發(fā)展空間，而最終，要看哪種路線(xiàn)發(fā)展更快、更接地氣?！彼^接地氣，就是在商業(yè)化的規(guī)模和成本方面都能達(dá)到完美的平衡點(diǎn)。首先，使用的材料必須不能是高成本且稀有的。其次，要在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的可能。

或許，現(xiàn)在最具考驗(yàn)的地方在于價(jià)格。液態(tài)鋰電池的成本大約在200~300美元/千瓦時(shí)，如果使用現(xiàn)有技術(shù)制造足以為智能手機(jī)供電的固態(tài)電池，其成本會(huì)達(dá)到1.5萬(wàn)美元，而足以為汽車(chē)供電的固態(tài)電池成本更是達(dá)到令人咋舌的9000萬(wàn)美元。

Sastry表示，固態(tài)電池生產(chǎn)成本居高不下的一個(gè)重要原因在于生產(chǎn)效率低下。按照Sastry的規(guī)劃，Sakti3最終將會(huì)把電池的成本降低至100美元/千瓦時(shí)，不過(guò)，她并沒(méi)有給出最終的時(shí)間。

從理論的提出時(shí)間來(lái)看，固態(tài)電池并不是一個(gè)新的概念，但多年來(lái)，研發(fā)上的進(jìn)展并沒(méi)有想象那么快速。韓國(guó)三星的一位技術(shù)人員認(rèn)為，即便Sakti3最終能做到成本上的降低，電池從實(shí)驗(yàn)室到最終的量產(chǎn)也需要不短的時(shí)間。正如液態(tài)鋰電池，在上世紀(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。2