近日來, 固態電池成為電池行業爭論的熱點. 源頭是, 日前, 美國菲斯科汽車公司發布了一項全新的電池技術——固態電池, 稱能夠讓電動汽車用戶的行駛裡程增加到500英裡 (約804公裡) 以上, 充電時間只需要1分鐘. 甚至有觀點稱, 固態電池可以 '完秒' 鋰電池. 跨國車企在固態電池領域的腳步越來越快, 這已不是第一次關於固態電池研發成果的新聞了.
固態電池如今發展到什麼程度? 真如外界所說的性能如此優越? 離商業化還有多遠? 就此, 《中國汽車報》記者採訪了相關專家了解到:
固態電池的兩個顯著特點
一是能量密度大約為傳統鋰電池的2.5~ 3倍;
二是更安全, 杜絕了電池破裂或高溫等意外帶來的燃燒隱患.
固態電池的兩個難點
一是電解質材料本身的問題;
二是界面性能的調控與優化問題. 從目前來看, 其商業化道路還很漫長.
國外固態電池成果頻現
近日, 多個固態電池新動向吸引了行業的注意力. 據外媒報道, 菲斯科已經申請了固態電池專利, 並預計在2023年實現批量生產. 菲斯科聲稱, 菲斯科的固態電池採用了三維電極, 能量密度是常規鋰離子電池的2.5倍.
不只菲斯科曝出固態電池消息, 全球多個企業和機構也發布了固態電池最新進展. 據《全球固態電池市場2017~ 2021》顯示, 目前, 豐田, 松下, 三星, 三菱, 寶馬, 現代, 戴森等數家企業都在加緊布局固態電池的儲備研發. 法國Bolloré, 美國Sakti3和日本豐田分別代表了聚合物, 氧化物和硫化物三大固態電解質的技術開發方向. 此外, 有報告顯示:
一.法國博洛雷公司已投入2900輛配置了其子公司Batscap生產的30kWh金屬鋰聚合物電池 (LMP) 的電動車;
二.豐田開發出全固態鋰離子電池, 能量密度為400Wh/L, 豐田研究人員表示, 這種電池大約在2020年實現商業化;
三.松下的最新固態電池能量密度相對提高了3~ 4倍; 本田與日立造船建立的機構已研發出Ah級電池, 預計三年後量產.
對於研發方式, 有些國外企業在固態電池領域單獨研發, 有些則選擇聯合研發. 比如, 大眾汽車在固態電池的研發上相對較晚, 但準備自己單獨研發. 前不久, 豐田宣布與松下合作研發固態電池, 幾天之後, 寶馬宣布與Solid Power公司合作研發固態鋰電池. 博世與日本著名的GS YUASA (湯淺) 電池公司及三菱重工共同建立了新工廠, 主攻固態陽極鋰離子電池.
國內加緊研發固態電池
在我國, 中國科學院 (以下簡稱 '中科院' ) 在固態電池上的布局相對較早, 目前5個研發團隊分別取得了不同的進展.
一, 中科院化學所的郭玉國團隊開發了聚醚-丙烯酸酯的聚合物固體電解質, 耐受氧化電壓為4.5伏
二, 中科院寧波材料所的許曉雄團隊, 開發了氧化物, 硫化物固體電解質材料, 陶瓷片, 全固態電池, 並與贛峰鋰業合作嘗試產業化. 目前該團隊在國內已率先研發出容量為0.2Ah~ 10Ah的系列固態單體電池, 10Ah固態單體電池能量密度達到260Wh/kg, 迴圈1000圈容量保持率達88%
三, 中科院青島生物能源所的崔光磊團隊開發了聚丙烯碳酸酯, 纖維素, 鋰鑭鋯氧複合的固體電解質, 研發的電池能量密度達到了300Wh/kg, 並首次在馬里亞納海溝完成了深海測試
四, 中科院上海矽酸鹽研究所的郭向欣團隊, 開發了聚環氧乙烷, 鋰鑭鋯氧複合的固體電解質, 並研製了2Ah級的固態鋰離子電池
五, 中科院物理研究所提出並驗證了原位固態化的設想, 研製的10Ah軟包電芯能量密度達到310~ 390Wh/kg, 體積能量密度達到了800~ 890Wh/L, 該電池可以在室溫90℃下迴圈.
此外, 國內著名電池企業寧德時代也投入到固態電池的研發中, 目前, 寧德時代的聚合物鋰金屬固態電池迴圈達到300周以上, 容量保持率達到82% .
商業化還需克服不少缺點
如今看來, 固態電池發展如火如荼, 長遠來看, 又會呈現怎樣的發展態勢? 一位固態電池權威專家告訴《中國汽車報》記者, 固態電池的發展主要遵循兩條路線, 一是聚合物路線; 二是全無機陶瓷路線, 全無機陶瓷路線又可以分成氧化物和硫化物兩個方向. 目前, 兩種技術路線都有難以克服的缺點, 還不能大規模商業化運用.
陶瓷路線固態電池
陶瓷路線固態電池最大的問題是能量密度相對較低, 類似於現有電池中的鈦酸鋰電池, 比磷酸鐵鋰, 三元材料電池的能量都低, 但可以大倍率充放電. 能量密度相對較低使得陶瓷路線的固態電池與現有電池相比沒有經濟性優勢. 該專家告訴記者, 日本在陶瓷路線固態電池上已布局10多年, 具有領先優勢. 日本宣傳報道中提出的15分鐘可充滿電完全可信.
聚合物固態電池
聚合物固態電池的能量密度較高, 但充電倍率較小. 據介紹, 聚合物固態電池界面之間的內阻較大, 充滿電需要5個多小時. 也正是因為能量密度大, 快充可能會帶來危險. 由於內阻較大, 聚合物固態電池在充電過程中會造成能量損失, 這是無法忽視的問題. 另外, 聚合物固態電池最致命的問題是充電溫度較高, 在常溫下充電倍率較低, 這限制了大規模商業化應用. 不過, 目前我國大多數研究機構和企業瞄準的是聚合物固態電池.
從全球固態電池技術發展來看, 我國並不落後, 與國外先進技術不相上下. 中科院青島生物能源所研究員崔光磊告訴《中國汽車報》記者, 他帶領的團隊研發的固態電池成功在馬里亞納海溝進行 '青能-1' 全深海電源應用示範, 使我國成為繼日本之後第二個掌握全海深鋰電源技術的國家.
中科院院士, 清華大學教授歐陽明高前不久也專門談到固態電池的發展, 他說:
美國專註於有機-無機複合固態電解質的大容量固態鋰電池研發, 以小公司, 創業型公司為主. 日本, 韓國均採用無機固體電解質的大容量固態鋰電池研發, 多家公司出台了量產計劃. 中國, 日本和韓國的情況相類似, 三個國家已經有很大的鋰離子電池產業鏈, 不希望推倒重來.
總體來看固態電池的發展, 電解質可能遵循從液態, 半固態, 固液混合到固態的路徑發展, 最後到全固態. 在負極方面, 從石墨負極過渡到矽碳負極. 目前, 我國正在從石墨負極向矽碳負極轉型, 最後有可能轉向金屬鋰負極, 但這條路線還存在技術的不確定性.
