固態(tài)電池技術(shù)有望破解電動車安全難題
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-14 09:12
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黑龍江日報12月10日訊 作為電動汽車的“心臟”，動力電池與目前大熱的新能源汽車一樣備受矚目。其中，鋰離子電池因其具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)效率高、循環(huán)壽命長等特點，頗受新能源汽車產(chǎn)業(yè)青睞，市場發(fā)展?jié)摿薮蟆５壳暗匿囯x子電池技術(shù)尚未成熟，安全性不穩(wěn)定的問題仍然存在，而發(fā)展固態(tài)電池技術(shù)或?qū)⒊蔀槠平怆妱榆嚢踩珕栴}的新選擇。
固態(tài)電解質(zhì)成趨勢
“現(xiàn)在所使用的鋰離子電池成本較高，技術(shù)也不成熟，所產(chǎn)的鋰離子電池存在不少安全隱患。”哈爾濱工業(yè)大學教授王振波表示。
據(jù)了解，近年來大型動力電池事故頻發(fā)，很大程度上是由于電池內(nèi)部使用液態(tài)電解質(zhì)。“是否安全對鋰離子電池儲能來說非常關(guān)鍵。”清華大學材料學院副教授李亮亮強調(diào)。
“目前選擇使用的液態(tài)有機電解液易燃易爆，用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液，是我們公認可以提升鋰電池安全性能最為有效的方法之一。”中國科學院青島生物能源與過程研究所副研究員董衫木表示。
李亮亮說：“固態(tài)電解質(zhì)不易燃，還不會產(chǎn)生液態(tài)電解液，因此不帶腐蝕性，是解決電池安全性問題的有效方法，也符合未來電池發(fā)展的趨勢。”
技術(shù)瓶頸待突破
據(jù)了解，高安全性是儲能電池應用的基礎(chǔ)和前提，固態(tài)化是解決二次電池安全性的有效途徑。固態(tài)鋰電池已進入全球加快布局和研發(fā)的階段，很多著名機構(gòu)都在開發(fā)固態(tài)鋰電池。包括韓國三星、日本豐田和我國眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，目前已有部分電池進入裝車測試階段。盡管前景可期，但由于技術(shù)和工藝上的種種問題，發(fā)展固態(tài)電池的道路絕非一帆風順。
首先，高效的電解質(zhì)材料體系缺乏。董衫木認為，“現(xiàn)今固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質(zhì)普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的差距。”
其次，固態(tài)電解質(zhì)和電極的界面處理也是固態(tài)電池目前面臨的一大難題。“在固體電解質(zhì)中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過程中電解質(zhì)體積的變化容易破壞界面的穩(wěn)定。”李亮亮指出。此外，在固態(tài)鋰電池中，電極內(nèi)部還存在復雜的多級界面，電化學以及形變等因素都會導致接觸失效影響電池性能。
再次，長期使用時穩(wěn)定性不理想也是長壽命儲能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。
新技術(shù)層出不窮
據(jù)介紹，針對固態(tài)電池，我們要從最基礎(chǔ)的材料、界面、單體，一直到最終的系統(tǒng)模塊進行研究，只有從根本上解決了關(guān)鍵材料和界面問題，才能開展系統(tǒng)的工藝研究，從而滿足單電池的性能要求。
面對發(fā)展過程中接連不斷的挑戰(zhàn)，各種新技術(shù)“百家爭鳴”。
比如，在固體電解質(zhì)材料上，業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)基于石榴石結(jié)構(gòu)的鋰鑭鋯氧(LLZO)固體電解質(zhì)體系的固態(tài)電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，它也因此成為一大技術(shù)熱點。“LLZO是一種性能優(yōu)異的填料，能夠提高聚合物基復合固態(tài)電解質(zhì)的性能。基于LLZO的固態(tài)電池循環(huán)1000次后容量仍能保持81%。”李亮亮介紹。
而界面處理的研究熱點主要集中在界面設(shè)計及修飾層上，目前凝膠化的界面設(shè)計已經(jīng)取得了較好成果。通過凝膠態(tài)的聚合物對界面進行修飾，增加接觸面積的同時還可以緩沖循環(huán)過程中的體積效應，在室溫下經(jīng)過300次循環(huán)，基本無退化，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計較好的改善了電池性能。
現(xiàn)在制約電動汽車發(fā)展的有兩個重要問題，一個是汽車電池能夠支持電動汽車的最大里程數(shù)，另一個是汽車電池充滿電的時間長度。如果不能追上普通汽車的續(xù)航能力，還有讓充電時間少于或與加油時間持平，那么電動汽車普及根本無從談起。
來自德國的托尼·皮耶希聲稱他的汽車企業(yè)已經(jīng)解決了這兩大難關(guān)，這位大眾汽車創(chuàng)始人費迪南德·皮耶希的后人所創(chuàng)立的德瑞合資企業(yè)早在2010年上海世博會時就展示過他們的原型車。
現(xiàn)在他們的旗艦車是“Mark Zero”，這款電動跑車能在3.2秒內(nèi)加速62英里/小時（100公里/小時），由一個前150kW電機和兩個后150kW電機提供動力，而Mark Zero的續(xù)航里程將達到311英里（500公里）。Mark Zero的充電時間也比較短，用4分40秒的時間可以加80%的電量，也就是6分鐘左右肯定能充滿，相比于之前的電動汽車動輒充幾個小時來說已經(jīng)是一個飛躍性的進步。
托尼·皮耶希有一個雄心勃勃的計劃，他將繼續(xù)制造兩座位、四座位和SUV車型的電動車，還將設(shè)計一種模塊化電池的方法，讓電動汽車的電池可以很容易的拆卸與更換，并且在未來電池技術(shù)升級之后仍然可以無縫銜接進行升級。
現(xiàn)在困擾著托尼·皮耶希的還有兩個問題，第一個是他還沒有找到一個能夠量產(chǎn)制造Mark Zero的制造商，他還正在與大眾公司進行著艱難的談判。第二個是全世界還沒有足夠電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計和建造充電設(shè)施、設(shè)備需要相當長的時間。托尼·皮耶希在中國找到了青島特銳德電氣公司進行合作，雙方正在研制和建造更簡單耐用的充電設(shè)施。
值得注意的是除了托尼·皮耶希之外，包括傳統(tǒng)電動汽車強者特斯拉等外國車企正紛紛加入電動汽車的行列之中，一家菲斯克公司甚至號稱做出了充電一分鐘，續(xù)航804公里的3D打印汽車電池并要申請專利。在國外車企成果不斷涌現(xiàn)的時候，我國的車企消息相對少得多。所以咱們應該要加把勁了，光是跟在別人屁股后面建充電樁而不掌握汽車電池和操作系統(tǒng)的核心技術(shù)，那我們就永遠在汽車這個行業(yè)上落后還要“挨打”。
