什么是固態(tài)電池？固態(tài)電池有哪些優(yōu)點？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-08-13 10:00
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目前，動力電池全球化競爭日益激烈，雖然中國企業(yè)在本輪競爭中占據(jù)了市場規(guī)模優(yōu)勢，但歐美、日韓等企業(yè)已經(jīng)在為下一階段做布局，是潛在的強大競爭者。有不少專家呼吁建議，應該關注固體電池發(fā)展的問題。盡管目前固態(tài)電池還多處于試驗階段，離走向產(chǎn)業(yè)化還有一定時間。但為了搶占未來發(fā)展的制高點，各企業(yè)對固態(tài)電池的研發(fā)已快馬加鞭，市場需求或推動固態(tài)電池量產(chǎn)提前。
按照《中國制造2025》確定的技術目標，2020年鋰電池能量密度到300Wh/kg，2025年能量密度達到400Wh/kg，2030年能量密度達到500Wh/kg。但是基于高鎳三元+硅碳負極材料，現(xiàn)有體系的鋰電池的能量密度很難突破300Wh/kg。而固態(tài)鋰電池的能量密度大約為傳統(tǒng)鋰電池的2.5—3倍，且杜絕了電池破裂或高溫等意外帶來的燃燒隱患。
全固態(tài)鋰電池具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。
電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰電池技術的核心，目前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高溫性能好，已經(jīng)有商業(yè)化的應用案例;氧化物循環(huán)性能良好，適用于薄膜柔性結(jié)構(gòu);硫化物電導率最高，是未來主要方向。
既然固態(tài)電池有這么多優(yōu)點，為什么沒有大力推廣呢?這是因為固態(tài)電解質(zhì)具有高的電阻，在功率密度方面還存在一些待解決的問題，需要從固態(tài)電解質(zhì)、正負極材料上著手。電導率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面都存在不小的挑戰(zhàn)，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。
總體來看固態(tài)電池的發(fā)展，電解質(zhì)可能遵循從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)的路徑發(fā)展，最后到全固態(tài)。筆者認為，2020年前采用高鎳正極+準固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負極實現(xiàn)300Wh/Kg，2025年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負極電池實現(xiàn)400Wh/Kg，2030年前燃料/鋰硫/空氣電池實現(xiàn)500Wh/Kg。
如果通俗地講，全固態(tài)電池就是里面沒有氣體、沒有液體，所有材料都以固態(tài)形式存在的電池。而考慮到現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ姷碾姵貫殇囯x子電池，我們在這里將默認把“全固態(tài)鋰離子電池”當做全固態(tài)電池的代表(暫時忽略全固態(tài)鋰硫等新型電池)。
一般來說，鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、結(jié)構(gòu)殼體等部分組成，其中電解液使得電流可以在電池內(nèi)部以離子形式傳導。電解液技術是鋰電池的核心技術之一，也是現(xiàn)在電池工業(yè)中利潤很高的一個組成部分。
但是很多讀者可能發(fā)現(xiàn)過自己的鋰電池用久后有的會鼓脹，而在更極端的小概率事件下，有的甚至會發(fā)生危險(比如近來的扭扭車的電池爆炸事件，導致了相關的生產(chǎn)企業(yè)和電池企業(yè)遇到了全面的困難)。另外一般來說，現(xiàn)在的鋰離子電池的工作溫度范圍有限，在40 度以上的高溫下壽命會急劇縮短，安全性能會也出現(xiàn)很大的問題(所以特斯拉MODEL S會有一套嚴格的電池溫控系統(tǒng)，就是為此)。
實際上，以上所說的幾個安全方面的問題都是與我們現(xiàn)在電池用的有機體系的電解液直接相關的。
而為了解決電池安全問題，提高能量密度，目前科研界和工業(yè)界都在研發(fā)以及生產(chǎn)全固態(tài)電池，也就是把傳統(tǒng)的鋰離子電池的隔膜和電解液，換成固態(tài)的電解質(zhì)材料。那么說來說去，相比于我們生活中最常見的普通鋰離子電池，全固態(tài)電池的優(yōu)點主要有哪些呢?
固態(tài)電池有哪些優(yōu)點?
優(yōu)勢之一：輕——能量密度高
使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池的適用材料體系也會發(fā)生改變，其中核心的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以明顯減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。
此外，許多新型高性能電極材料，可能之前與現(xiàn)有的電解液體系的兼容性并不好，但是在使用全固態(tài)電解質(zhì)后該問題可以得到一定的緩解。
綜合考慮到以上兩大因素，全固態(tài)電池相比于一般鋰離子電池，能量密度可以有一個較大幅度的提升：現(xiàn)在許多實驗室中，都已經(jīng)可以小規(guī)模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池了(一般鋰離子電池是100-220Wh/kg)。
從能量密度的數(shù)據(jù)上看，或許全固態(tài)電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。
另外，電池技術的前進受到電化學規(guī)律的制約，其容量上升是有理論極限的，一般很難以一個較大的幅度產(chǎn)生飛越式的、顛覆式的發(fā)展。因此建議廣大讀者擦亮眼睛，一但發(fā)現(xiàn)有性能“翻一/幾番”，“幾分鐘充滿電”，“成本下降70%”一類新聞時，要加倍警覺，因為此類新聞宣傳誤導的嫌疑很大，而背后存在的問題往往總是避而不談。
