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安全性与高能量密度兼得!固态电池真有这么神?

  • 2021-03-02 08:49
  • 来源:电车资源 大师兄

摘要:进入2021年,“固态电池”这一新词汇突然闯入大家的视野中,因其具有性能好、续航长等优势,许多车企、电池厂家、甚至整个新能源行业都视其为下一代电池技术。

【电车资源 技术频道】动力电池作为纯电动车上最核心的部件,其技术发展一直是行业、用户关注的焦点。进入2021年,“固态电池”这一新词汇突然闯入大家的视野中,因其具有性能好、续航长等优势,许多车企、电池厂家、甚至整个新能源行业都视其为下一代电池技术。不过,目前大多数人对于固态电池的认识并不多,它的出现能否真正解决安全性问题和里程焦虑?接下来我们就来聊聊。

● 了解什么是固态电池

众所周知,现在的纯电动汽车采用的电池无非是三元锂电池和磷酸铁锂电池,而两者的工作原理是相同的,固态电池也不例外,都是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。

安全性与高能量密度兼得!固态电池真有这么神?

不同的是固态电池的电解质是固态,而传统锂离子电池的电解质却是液态,后者电池主要由正、负材料、电解液以及隔膜组成,正、负材料决定了电池的容量,电解液及隔膜作为传输锂离子的介质,固态电池的固态电解质则替代了传统锂离子电池中的液体电解质和隔膜。

安全性与高能量密度兼得!固态电池真有这么神?

由于固态电解质结构简单且具有较好的绝缘性,因此固态电池可以避免短路之后的热失控问题,安全性和稳定性更高。当然,很多人认为固态电池的电解质都是固态的,但事实上固态电池只是一个电池类型的统称。

安全性与高能量密度兼得!固态电池真有这么神?

如果按照液态电解质的含量来细分的话,固态电池主要可分为三种:全固态(不含任何液态电解质)、准固态/类固态(液态液态电解质质量百分比小于5%)、半固态(液态电解质质量百分比小于10%)。

安全性与高能量密度兼得!固态电池真有这么神?

比如今年蔚来日发布的电池容量为150kWh电池包,该电池虽然采用固态电池技术,但并非全固态电池,因为还是含有液态电解质。而全固态电池还可分为“全固态锂一次电池”和“全固态锂二次电池”,后者则是行业重点研究的方向。

除此之外,根据固体电解质材料来分,固态电池可分为硫化物、氧化物、聚合物三种体系,不同的电解质材料各有其优缺点,不过目前国内多数固态电池厂家走的是氧化物路线,优点是电解质化学稳定性高。

● 固态电池有哪些优势?

一直以来,对于传统(液态)锂离子电池而言,要实现高能量密度和安全性兼得几乎是不可能的,这两个问题就像一个无解的矛盾。而固态电池作为一种新型电池,突破了能量密度和安全性的双重限制。

安全性与高能量密度兼得!固态电池真有这么神?

首先,固态电池能做到更高的能量密度,目前液体锂离子电池的电池能量密度最高可至300Wh/kg,而固态电池没有电解液和隔膜,大幅度减小了固态电池的质量,同时直接使用金属锂来做负极,进一步减轻负极材料的用量,提升整个电池的能量密度,理论上固态电池的能量密度可以轻松做到400Wh/kg,甚至有望达到500Wh/kg。

安全性与高能量密度兼得!固态电池真有这么神?

现在主流的NCM811电池的系统能量密度大约在170-180Wh/kg,固态电池的能量密度是三元锂电池的两倍以上。而能量密度是影响纯电动车续航里程的关键因素,也就是说,搭载同样重量的电池,固态电池可以比三元锂电池增加一倍的续航里程。

安全性与高能量密度兼得!固态电池真有这么神?

在保持、甚至提升能量密度的同时,固态电池将安全性问题也一并解决了。由于固态电解质绝缘性好,不可燃、不挥发,即便发生了形变,也不会导致电解质外漏,再加上目前固态电池拥有更宽的温度工作范围,所以安全性相比传统(液态)锂电池有了质的提升。

● 固态电池为何没能量产

安全性与高能量密度兼得!固态电池真有这么神?

尽管固态电池看起来前景广阔,但现阶段仍有难以逾越的技术阻碍。固态电解质在带来安全性与稳定性的同时,也由于与正、负极材料之间是固-固接触的状态,无法像液态一般渗透到电极的各个角度,这就导致电极与固体电解质之间的有效接触面积较小,同时界面电阻非常高,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,难以实现大功率快充。而国内有些电池厂商为了提高电导率,加入了少量液态电解质,使得这种固态电池变成类固态电池。

安全性与高能量密度兼得!固态电池真有这么神?

当然,摆在车企、电池厂商面前最大的问题也许还是固态电池的成本,这点主要是因为固态电池目前并没有完善的产业链来作为支撑,同时原材料成本昂贵,对生产工艺和生产设备的要求也有着更高的要求。

● 写在最后

固态电池,作为一种新兴电池技术,虽然尚未用于量产车中,但其拥有更高的能量密度和更好的安全性,这些恰好是传统锂离子电池难以避免的“痛点”。当然,现阶段固态电池技术仍有一些不可忽视的短板,不过随着技术的不断突破,相信固态电池距离大规模商用只是时间的问题。

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