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全固態(tài)電池不是電動(dòng)汽車(chē)的必選項

專(zhuān)欄:行業(yè)資訊發(fā)布時(shí)間:2024-04-25作者:

2021年1月,蔚來(lái)官網(wǎng)發(fā)布了150kWh固態(tài)電池,實(shí)現了360Wh/kg能量密度和突破1000km續航里程;2023年6月,衛藍新能源宣布360Wh/kg固態(tài)電池正式交付蔚來(lái)汽車(chē);2024年2月29日,輝能科技宣布全球首條固態(tài)電池生產(chǎn)線(xiàn)已正式投產(chǎn);2024年3月25日,智己汽車(chē)聯(lián)席CEO劉濤在社交平臺表示:“首個(gè)量產(chǎn)上車(chē)的超快充固態(tài)電池!超1000公里續航+準900V超快充,徹底解決純電車(chē)的里程焦慮?!?024年4月12日,廣汽集團全固態(tài)電池技術(shù)發(fā)布......于是,股市聞雞起舞,固態(tài)電池概念反復活躍,三祥新材更是演繹了10天8板的神奇。
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我們翹首以盼能量密度更高、運行更安全的全固態(tài)電池能帶給我們更多驚喜體驗。然而,這些目前所謂的固態(tài)電池并非全固態(tài)電池,實(shí)則屬于半固態(tài)鋰離子電池(目前,半固態(tài)電池主要指半固態(tài)鋰離子電池,全固態(tài)電池主要指全固態(tài)鋰離子電池,因此,本文只討論半固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池)。即便是預告要發(fā)布全固態(tài)電池的廣汽集團,最終只是預計2026年量產(chǎn)。說(shuō)白了,全固態(tài)電池還面臨諸多科學(xué)壁壘,暫時(shí)還搞不定,而且,即使在一段時(shí)間內技術(shù)搞定,目前高額的生產(chǎn)成本能不能降到大眾可承受范圍也是個(gè)未知數。我個(gè)人認為,與其虛張聲勢,還不如腳踏實(shí)地做好半固態(tài)電池,切實(shí)解決廣大消費者最為關(guān)心的續航、安全、快充、高低溫掉電難題。我們完全沒(méi)有必要張冠李戴給半固態(tài)電池戴高帽,它就叫半固態(tài)電池,它在繼承和提升液態(tài)鋰離子電池優(yōu)秀性能的同時(shí),還能夠最大限度地沿用現有的液態(tài)鋰離子電池體系及生產(chǎn)、檢測設備,只要技術(shù)搞定,成本合適,量產(chǎn)就水到渠成。因此,兼具較高能量密度、安全性、倍率性能以及經(jīng)濟性的半固態(tài)電池可能才是我們現階段電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的最好選擇。

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一、鋰離子電池分類(lèi)

有人說(shuō),鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池、半固態(tài)鋰離子電池、準固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池,除了液態(tài)鋰離子電池,后面三種電池都是固態(tài)電池。其實(shí),我個(gè)人更傾向于認同把鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池、半固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池,電解質(zhì)全部采用電解液的鋰離子電池就是液態(tài)鋰離子電池,電解質(zhì)全部采用固體電解質(zhì)的鋰離子電池就是全固態(tài)鋰離子電池,既含有電解液又含有固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池就是半固態(tài)鋰離子電池。半固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池在材料體系、生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工藝、電池性能方面都有顯著(zhù)區別,不適合籠統稱(chēng)為固態(tài)鋰離子電池。

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二、全固態(tài)鋰離子電池是下一代電池的首選方案

全固態(tài)鋰離子電池,顧名思義,是一種采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統電解液的鋰離子電池,全部由固態(tài)材料組成。全固態(tài)鋰離子電池主要構成包括正極、固態(tài)電解質(zhì)和負極或者無(wú)負極。這種結構消除了電解液腐蝕和泄露的安全隱患,提高了電池的熱穩定性。根據電解質(zhì)的類(lèi)型,全固態(tài)鋰離子電池分為聚合物固態(tài)鋰離子電池、氧化物固態(tài)鋰離子電池、硫化物固態(tài)鋰離子電池、復合固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池。

1. 聚合物固態(tài)鋰離子電池

聚合物固態(tài)電解質(zhì)(SPE)由聚合物基體和鋰鹽構成,SPE基體包括聚環(huán)氧乙烷、聚硅氧烷、脂肪族聚碳酸酯,與傳統的液態(tài)電解質(zhì)相比具有更高的熱穩定性,并且比陶瓷電解質(zhì)更易于實(shí)現規?;圃?,其彈性好、機械加工性?xún)?yōu)良。

但是,聚合物固態(tài)電解質(zhì)與其他電池組件之間的界面不穩定,且聚合物電解質(zhì)在室溫條件下離子電導率較低,極大地阻礙了其商業(yè)化應用。

2. 氧化物固態(tài)鋰電池

氧化物固態(tài)電解質(zhì)具有致密形貌,與硫化物固體電解質(zhì)相比,有更高的機械強度,耐壓性強,在空氣環(huán)境中具有更高的穩定性,制造復雜程度較低。

但是,氧化物固體電解質(zhì)的形變能力和柔軟性能不好,界面接觸能力較差,循環(huán)過(guò)程中界面穩定性也較差,導致循環(huán)過(guò)程中界面阻抗迅速增加;負極有效容量不足,電池壽命衰減較快;薄膜化也很困難。因此,氧化物固體電解質(zhì)往往需要添加一些聚合物成分并與微量離子液體/高性能鋰鹽-電解質(zhì)混合,或使用輔助原位聚合制造準固態(tài)電池,以保留一些安全優(yōu)勢并提高電解質(zhì)與電極的界面接觸性能。

3. 硫化物固態(tài)鋰電池

硫化物固態(tài)電解質(zhì)(如硫代磷酸鹽電解質(zhì))具有較高的室溫離子電導率(約10-2 S/cm)。硫化物系固體電解質(zhì)可視為由硫化鋰和鋁、磷、硅、鈦、錫等元素的硫化物組成的多元復合材料,材料涵蓋晶態(tài)和非晶態(tài)。硫離子半徑大,使鋰離子傳輸通道更大,電負性也合適,硫化物固體電解質(zhì)在所有固體電解質(zhì)中具有最好的鋰離子電導率,其中 Li-Ge-P-S 系統在室溫下的鋰離子電導直接與電解質(zhì)的電導相當。此外,硫化物固體電解質(zhì)具有更高的機械強度,與高容量硫正極的相容性最好。

但是,硫的電負性不如氧,與高壓正極一起使用會(huì )使電解質(zhì)層部分耗盡鋰,增加界面電阻;與金屬鋰負極一起使用時(shí),產(chǎn)生的SEI膜阻抗也較大;硫化物有機物為無(wú)機非金屬顆粒,循環(huán)過(guò)程中電解質(zhì)-電極界面也有比較嚴重的劣化。此外,材料系統對水、氧氣等非常敏感,一旦發(fā)生事故也易燃;薄膜化也很困難。以上這些因素導致硫化物固體電解質(zhì)的制造工藝要求非??量?。

4. 復合固態(tài)電解質(zhì)鋰電池

復合固態(tài)電解質(zhì)主要是以氧化物、硫化物等為代表的無(wú)機固態(tài)電解質(zhì)和以聚氧化乙烯等聚合物為代表的有機固態(tài)電解質(zhì)兩者的結合,實(shí)現“剛柔并濟”,利用路易斯酸堿相互作用,增加鏈段運動(dòng)能力,協(xié)同提升界面離子傳輸。

總之,以上這些固體電解質(zhì)材料各有優(yōu)缺點(diǎn),目前階段對于選擇何種固體電解質(zhì)還存在技術(shù)路線(xiàn)分歧,歐洲以聚合物路線(xiàn)為主,中國以氧化物路線(xiàn)為主,同時(shí)兼顧硫化物路線(xiàn),日本和韓國以硫化物路線(xiàn)為主。

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與液態(tài)鋰離子電池和半固態(tài)鋰離子電池相比,全固態(tài)鋰離子電池具有顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn):

1. 能量密度高。全固態(tài)電池完全采用固體電解質(zhì),而且不用隔膜設計,可以大大降低電池重量,能量密度從而得以提升。

2. 安全性高,電解質(zhì)無(wú)腐蝕、不可燃,也不存在漏液?jiǎn)?wèn)題。

3. 高溫穩定性好,可以在較寬的溫度范圍內工作。

4. 電池更輕更薄。傳統鋰離子電池中,隔膜和電解液占據了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量。而在全固態(tài)鋰離子電池中,隔膜和電解液被固態(tài)電解質(zhì)取代,負極直接使用金屬負極或甚至沒(méi)有負極,能量大幅提升,從而實(shí)現電池輕量化設計。同時(shí),全固態(tài)鋰離子電池正負極之間的距離可以縮短到幾個(gè)微米到十幾個(gè)微米,這樣電池的厚度就能大大降低,從而實(shí)現全固態(tài)鋰離子電池小型化、薄膜化。

5. 可以實(shí)現柔性化設計。即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米級以下后也是可以彎曲的,材料會(huì )變得具有柔性,全固態(tài)鋰離子電池在輕薄化后就可以實(shí)現柔性化設計。

基于以上顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn),全固態(tài)鋰離子電池成為全球認可的下一代鋰離子電池技術(shù)。然而,全固態(tài)鋰離子電池也存在一些缺點(diǎn),如低溫時(shí)內阻較大,材料導電率不高,制造大容量單體困難等,如何解決這些缺點(diǎn)還存在明顯的科學(xué)壁壘,如何有效降低批量制造成本,非常具有挑戰性。

1. 固-固界面接觸難點(diǎn)有待解決。

在物理接觸方面,不同于固-液的“軟”接觸,固-固接觸是很難充分貼合的“硬”接觸,這直接造成了在全固態(tài)電池中鋰離子通道的減少和應力堆積的問(wèn)題,且固-固界面容易接觸不良,多次接觸后容易導致接觸失效;在化學(xué)接觸方面,Li 容易與固態(tài)電解質(zhì)接觸后迅速發(fā)生反應并擴散至電解質(zhì)內部,造成電解質(zhì)表面快速分解。

2. 固體電解質(zhì)還面臨制備及批量一致性測試等問(wèn)題。

不管是哪種固體電解質(zhì),都還有大量的技術(shù)壁壘等待攻克,如何批量制備、如何檢測、如何建立質(zhì)控指標從而確保批量一致性等等都缺乏成熟的解決方案,沒(méi)有形成完善的制備、檢測、應用方案,更沒(méi)有形成行業(yè)標準。

3. 電池系統障礙。

全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)還不完善,如何找到適應更高能量密度要求的電池材料、如何設計全固態(tài)電池、如何設計全固態(tài)電池系統、全壽命周期的安全性能評測等系統都有待建立健全。

4. 高成本制約因素。

全固態(tài)鋰離子電池還需具有經(jīng)濟性,只有做到既叫好又叫座的產(chǎn)品才能實(shí)現規模量產(chǎn)。公開(kāi)資料顯示,目前國內全固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)成本為30-40元人民幣/Wh,日本全固態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)成本為35萬(wàn)日元/kWh(按照最新匯率計算,16.7元/wh),按照一輛家用車(chē)裝備75kWh全固態(tài)電池計算,僅電池成本就超過(guò)125萬(wàn)元人民幣。因此,即使成功解決了全固態(tài)鋰離子電池批量生產(chǎn)的主要技術(shù)難題,如果不能有效降低生產(chǎn)成本,全固態(tài)鋰離子電池也不可能大批量應用到電動(dòng)汽車(chē)上。一句話(huà),你做得出來(lái),我們買(mǎi)不起!

當然,作為一種革命性的新型儲能技術(shù),攻克全固態(tài)鋰離子電池技術(shù)具有重大意義,因為高能量密度和高安全性的全固態(tài)電池在航空航天、體內植入設備(如心臟起博器等)等領(lǐng)域具有廣闊的應用空間。正因為如此,全固態(tài)鋰離子電池成為下一代電池的首選方案之一已成為業(yè)界共識,被列入了中國、美國、日本、韓國、歐盟等國家的發(fā)展戰略,成為下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵至高點(diǎn)。

三、半固態(tài)鋰離子電池是現階段電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)選項

半固態(tài)鋰離子電池,就是既含有電解液又含有固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。其實(shí),半固態(tài)鋰離子電池中電解液的含量很少,大約在5%到10%之間。半固態(tài)鋰離子電池主要構成包括正極、負極、隔膜、電解質(zhì)幾部分,除電解質(zhì)外與液態(tài)鋰離子電池基本相同。與液態(tài)鋰離子電池相比,半固態(tài)鋰離子電池具有明顯的性能提升。

1. 能量密度更高。少量使用電解液一定程度提升了電池的能量密度。目前,衛藍新能源半固態(tài)鋰離子電池的能量密度已經(jīng)達到360Wh/Kg,清陶半固態(tài)鋰離子電池的能量密度已經(jīng)達到368Wh/Kg,寧德時(shí)代推出的凝聚態(tài)電池能量密度已經(jīng)達到500Wh/Kg,遠遠高于目前液態(tài)鋰離子電池能量密度。

2. 安全性能高。與液態(tài)鋰離子電池相比,半固態(tài)鋰電池中使用的電解液含量較少,降低了泄漏和燃燒的風(fēng)險。在熱穩定性上也有所改善,因為電解質(zhì)材料的固體成分有助于抑制鋰枝晶的生長(cháng),減少內部短路的可能性。

3. 使用壽命長(cháng)。由于電解質(zhì)的固態(tài)成分能夠減少電極材料和電解質(zhì)之間的副反應,因此半固態(tài)鋰電池通常具有更長(cháng)的循環(huán)壽命,可以經(jīng)受更多次的充放電過(guò)程而不會(huì )明顯降低性能。

4. 適應溫度范圍寬。半固態(tài)鋰離子電池的電解質(zhì)既能在低溫環(huán)境中維持良好的離子傳導性,也能在高溫下保持穩定。??

5. 快充性能好。固態(tài)電解質(zhì)的引入使得電池內部的離子遷移速度得到顯著(zhù)提升,從而實(shí)現了更快的充電速度。

綜合比較,半固態(tài)鋰離子電池的主要性能界于液態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池中間,與全固態(tài)鋰離子電池相比還有不少差距,但半固態(tài)電池技術(shù)相對成熟,已經(jīng)實(shí)現量產(chǎn),能量密度及安全性能等主要性能尚有提升空間。更為重要的是,目前生產(chǎn)成本比全固態(tài)鋰離子電池低不少。個(gè)人認為,兼具能量密度、安全性、經(jīng)濟性的半固態(tài)鋰離子電池反而應該成為電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)選項。

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首先,半固態(tài)鋰離子電池能量密度持續提升,目前,衛藍、清陶、寧德時(shí)代等企業(yè)半固態(tài)電池能量密度達到了360Wh/Kg以上,隨著(zhù)工藝優(yōu)化及硅碳負極等材料的應用,半固態(tài)鋰離子電池能量密度還會(huì )進(jìn)一步提升。

其次,隨著(zhù)快充技術(shù)的發(fā)展,有望實(shí)現充電如同加油一樣方便、快捷。

第三,半固態(tài)鋰離子電池的電池體系與現在通用的液態(tài)鋰離子電池體系接近,基本沿用現有生產(chǎn)、檢測設備,只要技術(shù)搞定,上量就輕而易舉。

第四,隨著(zhù)鋰離子電池高、低溫性能的持續提升,在-30-80℃都能快速充電,且電量保持率相對穩定,在我國絕大部分區域都能便捷使用電動(dòng)車(chē)而不用擔心在冬、夏季節續航里程滑坡。

第五,隨著(zhù)高鐵提速和運營(yíng)網(wǎng)絡(luò )的迅速擴張,以及民用航空的快速發(fā)展,長(cháng)途旅行可以更多考慮安全性、舒適性、經(jīng)濟性更高的公共交通方式,駕車(chē)出行半徑將大大縮短。相對于全固態(tài)鋰離子電池高昂的生產(chǎn)成本,電動(dòng)汽車(chē)長(cháng)續航、輕量化反而不成為主要矛盾。

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因此,我們期待有更多的企業(yè)和研究機構投入到半固態(tài)、全固態(tài)電池的研發(fā)中,攻艱克難,共同推動(dòng)能源存儲技術(shù)的發(fā)展,為人類(lèi)的可持續發(fā)展做出貢獻。同時(shí),我們也期待我們的電池企業(yè)在仰望星空的同時(shí),腳踏實(shí)地推動(dòng)半固態(tài)電池性能提升,早日為大家提供續航強、充電快、安全性高、經(jīng)濟性更好的電池產(chǎn)品。

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