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動力鋰電池巨變已在前夜 固態電池是鋰電池發展方向?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2023年01月03日  

這段時間固態電池又成了一個熱門話題,似乎鋰電池能量密度低的問題馬上就要解決了,純電動汽車里程焦慮也將成為過去。那么固態電池究竟是個什么東西,會帶來鋰電池的革命么?


在說固態電池之前先來回顧一下普通電池的結構,它有點像我們日常吃的花卷,先把面搟平了,然后在上面撒上蔥花,最后把它卷起來。鋰電池呢,最下面是一層銅箔,之上是一層石墨,再往上是絕緣層,最上面的是鋰離子材料。


其中,銅箔和石墨是負極,鋰離子材料是正極。然后把這些東西像做花卷相同卷起來就是電池了,當然其中還有很多細節,比如添加電解質、導電劑、粘合劑等等,這里就不細說了。


充電池時,鋰離子從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態;放電時則相反。可以把鋰離子理解成勤勞的工人,負極是他們的住所,正極是工作的廠。充電時工人們從廠回到家里休息;放電時則從家里前往廠工作。


在鋰電池中,參和放電只是鋰離子而已,它的質量大概是整個電池的2%,其他的部件都是維持電池結構和功能的,所以鋰電池的能量密度低的可憐。其中電解液和隔膜占了總質量的20%左右,而固體電池就是將電解液換成了固體粉末,那么就省去了隔膜這個部件,另外固態粉末要比電解液體積要小。所以總體來看,電池能量不變重量減輕,能量密度是有所提升的。


優點不只是表面看上去的能量密度提升,前面有提到,鋰電池的充放電類似于工人在廠和家之間往返。但有個問題,為了維持正極的結構,在充電時鋰離子不能全部移動到負極去,也就是有即使下班了,還要留一部分工人在廠值班,不然就會出問題。所以現在鋰電池的研究方向都集中在正極材料上,如何讓更多的工人回家休息,或者新增廠的面積,可以容納更多的工人。


比如NCM811電池,這是之前TSLA用的鋰電池型號,NCM代表鎳、鈷、錳三種元素,811是它們之間的比值;再比如CATL的NCM532、NCM622這些電池,都是在正極上面做修改,就是為了提升電池的能量密度。


固態電池由于節省了一部分材料以及改變了電解液,所以會省下來一部分空間,如此給正極的設計空間就更大,可以擴建那個廠了。另外固態電池甚至可以省略正極,在電壓的加持下,負極滲透過來形成正極,這樣給予正極的設計空間就更大了。


所以固態電池不僅看起來會提升能量密度,同時它的結構優勢給予了電池設計更大的空間,當固體電池技術愈發成熟后,能量密度會隨著設計的優化,有更大幅度的躍升。


除了提升能量密度外,固體電池安全性能也有所提升。目前鋰電池中的電解液會和正極材料發生緩慢的化學反應,這個過程中釋放很少一部分氣體,所以鋰電池都會設計一個泄氣閥。但假如發生意外,像穿刺、變形等情形,氣體就會大量出現隨后撐破外殼發生爆炸。


固態電池就沒這方面的問題,因為固體的電解質不會出現氣體,自然爆炸的風險就降低了很多。另外在遇到穿刺、擠壓等外力破壞時,固態電池也更加不容易發生短路。


能量密度更高、安全性更強,看起來固態電池無比美好,但離車載電池還是有一定距離。這里有一個問題就是接觸電阻,接觸電阻越大,電池快速充放電時出現的熱量也越大,會影響電池的性能。如何減小接觸電阻,這就要電池的突出的極耳和里面的正負極接觸面積越大越好。


原先這個極耳是浸潤在電解液中的,現在換成了固態電解質,那么接觸面積就會小很多,所以面對大功率充放電時,熱量會很大。目前我看有關固態電池的一些論文中,很多新技術都是為了減小接觸電阻,新增電子流動速度。不過很多都是實驗室中的技術,未來何時能夠普及就不了解了。


另外,有關固態電池一些新技術,雖然可以支持大功率充放電,但是對電池壽命有影響,充放電循環次數只有現在電池的一半。所以,固態電池真正投入商業還是有不小挑戰。不過,固態電池一定是鋰電池的一個發展方向,現在大眾、福特、豐田、CATL、LG、三星等眾多公司都在作相關的研究,相信在市場的驅使下技術很快會得到突破。


至于說,今年年內上市的固態電池,我還是有疑問的,畢竟它們沒有披露技術細節,不了解只是炒固態電池這一概念,還是有真的突破性技術。我認為比較靠譜的突破可能是3、5年后,目前鋰電池行業主流的觀點也是在2025年將能量密度提升到400Wh/kg,相較現在提升了33%。究竟發展速度有多快,我們還是拭目以待吧。

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