固態(tài)電池?zé)o疑是2017年全球電池領(lǐng)域最熱的一個技術(shù)名詞
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-27 17:41
點擊量：次
雖然研發(fā)產(chǎn)業(yè)化持續(xù)升溫，但受固/固界面穩(wěn)定性和金屬鋰負(fù)極可充性兩大問題的制約，真正的全固態(tài)鋰金屬負(fù)極電池還沒有成熟，但是以無機硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池出現(xiàn)突破。
總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最后到全固態(tài)。至于負(fù)極，會是從石墨負(fù)極，到硅碳負(fù)極，我們國家現(xiàn)在正在從石墨負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型，最后有可能到金屬鋰負(fù)極，但是目前還存在技術(shù)不確定性。
鋰離子電池發(fā)明到現(xiàn)在是25年，全固態(tài)鋰電池的概念比鋰離子電池出現(xiàn)的更早。早期所指的全固態(tài)鋰電池，都是指金屬鋰為負(fù)極的全固態(tài)金屬鋰電池。
目前固態(tài)電池國內(nèi)有多家研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)單位在做，包括中科院青島能源所、寧波材料所，物理所等，也包括寧德時代新能源、中航鋰電等。最近寧波材料所跟贛鋒鋰業(yè)合作的固態(tài)電池計劃2019年量產(chǎn)。
所謂“全固態(tài)鋰電池”是一種在工作溫度區(qū)間內(nèi)所使用的電極和電解質(zhì)材料均呈固態(tài)，不含任何液態(tài)組份的鋰電池，所以稱之為是“全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池”。全固態(tài)鋰電池，這個詞每一個字都不能少、不能變，比方說“全固態(tài)”跟“固態(tài)”是不一樣的，“鋰電池”和“鋰離子電池”不是一個概念。
全固態(tài)鋰電池又分成全固態(tài)鋰一次電池和全固態(tài)鋰二次電池，一次電池已經(jīng)有用的。全固態(tài)鋰二次電池又分成全固態(tài)鋰離子電池和鋰金屬電池。所謂全固態(tài)金屬鋰電池，就是它的負(fù)極用的是鋰金屬，我們國內(nèi)這類產(chǎn)品現(xiàn)在負(fù)極用的是碳、硅碳或者鈦酸鋰。
全固態(tài)鋰電池有幾個潛在的技術(shù)優(yōu)勢：
1安全性高。沒有有機溶劑作為電解質(zhì)引發(fā)電解液燃燒問題。
2 能量密度高。固態(tài)電解質(zhì)解決了電解液泄漏問題，體積比能量高。
3 正極材料選擇的范圍寬。因為負(fù)極是鋰金屬，正極不含鋰都可以，電解質(zhì)的電壓窗口會更寬，比能量也可以提高。
4 系統(tǒng)比能量高。由于電解質(zhì)無流動性，可以方便地通過內(nèi)串聯(lián)組成高電壓單體，利于電池系統(tǒng)成組效率和能量密度的提高。
全固態(tài)鋰電池存在的問題：
1固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低。現(xiàn)在有三種固態(tài)電解質(zhì)，分別是聚合物、氧化物、硫化物。聚合物電解質(zhì)電池要加熱到60度，離子電導(dǎo)率才上來，電池才能正常工作。我們目前要突破的是硫化物的固態(tài)電解質(zhì)。
2 固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差。液體跟固體結(jié)合很容易滲透進(jìn)去。但是固體和固體接觸性和穩(wěn)定性就不是太好了，。硫化物電解質(zhì)雖然鋰離子導(dǎo)電率已經(jīng)提高了，但仍然存在界面接觸性和穩(wěn)定性問題。
3 金屬鋰的可充性問題。在固態(tài)電解質(zhì)中，鋰表面同樣存在粉化和枝晶生長問題。其循環(huán)性，甚至安全性等還需要研究。
4 制造成本偏高。
基于上述問題，真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù)，現(xiàn)在仍然存在技術(shù)不確定性，是不成熟的。現(xiàn)存或者有突破的，有性能優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景的，主要是固態(tài)鋰離子電池。
固態(tài)鋰離子電池跟全固態(tài)鋰電池有什么區(qū)別呢?
固態(tài)電池，不一定是全都是固態(tài)電解質(zhì)，是液態(tài)跟固態(tài)混合的，看混合的比是多大。真正的固態(tài)鋰離子電池，其電解質(zhì)是固態(tài)，但在電芯中有少量的液態(tài)電解質(zhì);
所謂半固態(tài)電池，就是固態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)各占一半，或者說電芯的一半是固態(tài)的、一半是液態(tài)的。據(jù)此還有準(zhǔn)固態(tài)電池，就是主要為固態(tài)、少量是液態(tài)。
現(xiàn)在固態(tài)鋰電池持續(xù)升溫，美國、歐洲、日本、韓國、我國，都在投入。
其中美國以小公司，創(chuàng)業(yè)型公司為主，立足于顛覆性技術(shù)。美國有兩家初創(chuàng)公司成績不俗，一個是S-akit3，續(xù)駛里程能到500公里，一個Solid—State，還有一家公司被寶馬等幾家大公司投資了。
日本基本上是固態(tài)鋰離子電池，最著名的豐田。豐田固態(tài)鋰離子電池將在2022年實現(xiàn)商品化。豐田固態(tài)鋰離子電池的負(fù)極是石墨類，硫化物電解質(zhì)，高電壓正極，單體電池容量15安時，電壓是十幾V的那種，2022年實現(xiàn)商品化。
韓國是石墨類負(fù)極，不是金屬鋰負(fù)極。
中、日、韓的情況是類似的，因為我們國內(nèi)已經(jīng)有了上規(guī)模的鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)鏈，所以要延續(xù)固有的技術(shù)路線，不要推倒重來，為技術(shù)創(chuàng)新而浪費資源。
與續(xù)駛里程相比，電耗更須關(guān)注
根據(jù)上面的進(jìn)展分析，以歐陽明高為代表的專家組對技術(shù)電池技術(shù)的發(fā)展趨勢判斷做了一次優(yōu)化迭代具體如下，供行業(yè)參考。
2020年，比能量300瓦時/公斤、比功率1000瓦時/公斤，循環(huán)1000次以上，成本0.8元/瓦時以內(nèi)，所對應(yīng)的材料是高鎳三元。我們國內(nèi)現(xiàn)在正在從鎳：鈷：錳比例3：3：3轉(zhuǎn)向6：2：2，就是高鎳，鎳變成6，再轉(zhuǎn)變到8：1：1，鎳變成8，鈷進(jìn)一步降到1，甚至鈷進(jìn)一步降到0.5。負(fù)極要從碳負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型。這是我們當(dāng)前的技術(shù)變革。
到2025年，正極材料方面進(jìn)一步提升性能，包括富鋰錳基材料和其他材料。我們2020~2025年，從300瓦時/公斤—400瓦時/公斤，每瓦時成本從0.6元到0.8元。對應(yīng)的純電動轎車合理里程約為300—400公里。
到2030年，專家們希望在電解質(zhì)方面取得突破，同時固態(tài)電池實現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊500瓦時/公斤。2030年，常規(guī)的性價比車型應(yīng)該可以達(dá)到500公里以上。
所有這些，都需要其它技術(shù)的配合。因此，歐陽明高教授表示，他目前關(guān)注的已經(jīng)不是行駛里程，而是電動車的電耗問題，這也是當(dāng)前整車集成技術(shù)的核心問題。
尤其純電動汽車過冬，目前仍舊是一個未能完全解決的問題，這當(dāng)中包括低溫對電池的影響，還有取暖消耗功率偏大等。
