近日来, 固态电池成为电池行业争论的热点. 源头是, 日前, 美国菲斯科汽车公司发布了一项全新的电池技术——固态电池, 称能够让电动汽车用户的行驶里程增加到500英里 (约804公里) 以上, 充电时间只需要1分钟. 甚至有观点称, 固态电池可以 '完秒' 锂电池. 跨国车企在固态电池领域的脚步越来越快, 这已不是第一次关于固态电池研发成果的新闻了.
固态电池如今发展到什么程度? 真如外界所说的性能如此优越? 离商业化还有多远? 就此, 《中国汽车报》记者采访了相关专家了解到:
固态电池的两个显著特点
一是能量密度大约为传统锂电池的2.5~ 3倍;
二是更安全, 杜绝了电池破裂或高温等意外带来的燃烧隐患.
固态电池的两个难点
一是电解质材料本身的问题;
二是界面性能的调控与优化问题. 从目前来看, 其商业化道路还很漫长.
国外固态电池成果频现
近日, 多个固态电池新动向吸引了行业的注意力. 据外媒报道, 菲斯科已经申请了固态电池专利, 并预计在2023年实现批量生产. 菲斯科声称, 菲斯科的固态电池采用了三维电极, 能量密度是常规锂离子电池的2.5倍.
不只菲斯科曝出固态电池消息, 全球多个企业和机构也发布了固态电池最新进展. 据《全球固态电池市场2017~ 2021》显示, 目前, 丰田, 松下, 三星, 三菱, 宝马, 现代, 戴森等数家企业都在加紧布局固态电池的储备研发. 法国Bolloré, 美国Sakti3和日本丰田分别代表了聚合物, 氧化物和硫化物三大固态电解质的技术开发方向. 此外, 有报告显示:
一.法国博洛雷公司已投入2900辆配置了其子公司Batscap生产的30kWh金属锂聚合物电池 (LMP) 的电动车;
二.丰田开发出全固态锂离子电池, 能量密度为400Wh/L, 丰田研究人员表示, 这种电池大约在2020年实现商业化;
三.松下的最新固态电池能量密度相对提高了3~ 4倍; 本田与日立造船建立的机构已研发出Ah级电池, 预计三年后量产.
对于研发方式, 有些国外企业在固态电池领域单独研发, 有些则选择联合研发. 比如, 大众汽车在固态电池的研发上相对较晚, 但准备自己单独研发. 前不久, 丰田宣布与松下合作研发固态电池, 几天之后, 宝马宣布与Solid Power公司合作研发固态锂电池. 博世与日本著名的GS YUASA (汤浅) 电池公司及三菱重工共同建立了新工厂, 主攻固态阳极锂离子电池.
国内加紧研发固态电池
在我国, 中国科学院 (以下简称 '中科院' ) 在固态电池上的布局相对较早, 目前5个研发团队分别取得了不同的进展.
一, 中科院化学所的郭玉国团队开发了聚醚-丙烯酸酯的聚合物固体电解质, 耐受氧化电压为4.5伏
二, 中科院宁波材料所的许晓雄团队, 开发了氧化物, 硫化物固体电解质材料, 陶瓷片, 全固态电池, 并与赣峰锂业合作尝试产业化. 目前该团队在国内已率先研发出容量为0.2Ah~ 10Ah的系列固态单体电池, 10Ah固态单体电池能量密度达到260Wh/kg, 循环1000圈容量保持率达88%
三, 中科院青岛生物能源所的崔光磊团队开发了聚丙烯碳酸酯, 纤维素, 锂镧锆氧复合的固体电解质, 研发的电池能量密度达到了300Wh/kg, 并首次在马里亚纳海沟完成了深海测试
四, 中科院上海硅酸盐研究所的郭向欣团队, 开发了聚环氧乙烷, 锂镧锆氧复合的固体电解质, 并研制了2Ah级的固态锂离子电池
五, 中科院物理研究所提出并验证了原位固态化的设想, 研制的10Ah软包电芯能量密度达到310~ 390Wh/kg, 体积能量密度达到了800~ 890Wh/L, 该电池可以在室温90℃下循环.
此外, 国内著名电池企业宁德时代也投入到固态电池的研发中, 目前, 宁德时代的聚合物锂金属固态电池循环达到300周以上, 容量保持率达到82% .
商业化还需克服不少缺点
如今看来, 固态电池发展如火如荼, 长远来看, 又会呈现怎样的发展态势? 一位固态电池权威专家告诉《中国汽车报》记者, 固态电池的发展主要遵循两条路线, 一是聚合物路线; 二是全无机陶瓷路线, 全无机陶瓷路线又可以分成氧化物和硫化物两个方向. 目前, 两种技术路线都有难以克服的缺点, 还不能大规模商业化运用.
陶瓷路线固态电池
陶瓷路线固态电池最大的问题是能量密度相对较低, 类似于现有电池中的钛酸锂电池, 比磷酸铁锂, 三元材料电池的能量都低, 但可以大倍率充放电. 能量密度相对较低使得陶瓷路线的固态电池与现有电池相比没有经济性优势. 该专家告诉记者, 日本在陶瓷路线固态电池上已布局10多年, 具有领先优势. 日本宣传报道中提出的15分钟可充满电完全可信.
聚合物固态电池
聚合物固态电池的能量密度较高, 但充电倍率较小. 据介绍, 聚合物固态电池界面之间的内阻较大, 充满电需要5个多小时. 也正是因为能量密度大, 快充可能会带来危险. 由于内阻较大, 聚合物固态电池在充电过程中会造成能量损失, 这是无法忽视的问题. 另外, 聚合物固态电池最致命的问题是充电温度较高, 在常温下充电倍率较低, 这限制了大规模商业化应用. 不过, 目前我国大多数研究机构和企业瞄准的是聚合物固态电池.
从全球固态电池技术发展来看, 我国并不落后, 与国外先进技术不相上下. 中科院青岛生物能源所研究员崔光磊告诉《中国汽车报》记者, 他带领的团队研发的固态电池成功在马里亚纳海沟进行 '青能-1' 全深海电源应用示范, 使我国成为继日本之后第二个掌握全海深锂电源技术的国家.
中科院院士, 清华大学教授欧阳明高前不久也专门谈到固态电池的发展, 他说:
美国专注于有机-无机复合固态电解质的大容量固态锂电池研发, 以小公司, 创业型公司为主. 日本, 韩国均采用无机固体电解质的大容量固态锂电池研发, 多家公司出台了量产计划. 中国, 日本和韩国的情况相类似, 三个国家已经有很大的锂离子电池产业链, 不希望推倒重来.
总体来看固态电池的发展, 电解质可能遵循从液态, 半固态, 固液混合到固态的路径发展, 最后到全固态. 在负极方面, 从石墨负极过渡到硅碳负极. 目前, 我国正在从石墨负极向硅碳负极转型, 最后有可能转向金属锂负极, 但这条路线还存在技术的不确定性.
