固態(tài)電池距離我們還有多遠(yuǎn)

 

 

 

（一）高阻抗、低倍率的核心難題

 

 

 

當(dāng)前固態(tài)電解質(zhì)體相離子電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于液態(tài)電解質(zhì)的水平，往往相差多個(gè)數(shù)量級(jí)。按照材料的選擇，固態(tài)電解質(zhì)可以分為聚合物、氧化物、硫化物三種體系，而無(wú)論哪一種類別，均無(wú)法回避離子傳導(dǎo)的問(wèn)題。電解質(zhì)的功能在于電池充放電過(guò)程中為鋰離子在正負(fù)極之間搭建鋰離子傳輸通道來(lái)實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部電流的導(dǎo)通，決定鋰離子運(yùn)輸順暢情況的指標(biāo)被稱為離子電導(dǎo)率，低的離子電導(dǎo)率意味著電解質(zhì)差的導(dǎo)鋰能力，使鋰離子不能順利在電池正負(fù)極之間運(yùn)動(dòng)。聚合物體系的室溫電導(dǎo)率約10-7-10-5S/cm，氧化物體系室溫下電導(dǎo)率為10-6-10-3S/cm，硫化物體系電導(dǎo)率最高，室溫約10-3-10-2S/cm，而傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率為10-2S/cm左右，比任意固態(tài)電解質(zhì)類型的離子電導(dǎo)率都要高。

 

 

 

此外，固態(tài)電解質(zhì)擁有高界面阻抗。在電極與電解質(zhì)界面上，傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)與正、負(fù)極的接觸方式為液/固接觸，界面潤(rùn)濕性良好，界面之間不會(huì)產(chǎn)生大的阻抗，相比較之下，固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極之間以固/固界面的方式接觸，接觸面積小，與極片的接觸緊密性較差，界面阻抗較高，鋰離子在界面之間的傳輸受阻。

 

 

 

低離子電導(dǎo)率與高界面阻抗導(dǎo)致了固態(tài)電池的高內(nèi)阻，鋰離子在電池內(nèi)部傳輸效率低，在高倍率大電流下的運(yùn)動(dòng)能力更差，直接影響電池的能量密度與功率密度。

 

 

固態(tài)電池的三大體系各有優(yōu)勢(shì)，其中聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì)，氧化物與硫化物屬于無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)?？v覽全球固態(tài)電池企業(yè)，有初創(chuàng)公司，也不乏國(guó)際廠商，企業(yè)之間獨(dú)踞山頭信仰不同的電解質(zhì)體系，未出現(xiàn)技術(shù)流動(dòng)或融合的態(tài)勢(shì)。歐美企業(yè)偏好氧化物與聚合物體系，而日韓企業(yè)則更多致力于解決硫化物體系的產(chǎn)業(yè)化難題，其中以豐田、三星等巨頭為代表。

 

 

 

（1）聚合物體系：率先小規(guī)模量產(chǎn)，技術(shù)最成熟，性能上限低

 

 

 

聚合物體系屬于有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，主要由聚合物基體與鋰鹽構(gòu)成，量產(chǎn)的聚合物固態(tài)電池材料體系主要為聚環(huán)氧乙烷（PEO）-LiTFSI（LiFSI），該類電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是高溫離子電導(dǎo)率高，易于加工，電極界面阻抗可控。因此成為最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方向。但其室溫離子電導(dǎo)率為三大體系中最低，嚴(yán)重制約了該類型電解質(zhì)的發(fā)展。

 

 

 

電導(dǎo)率過(guò)低+低容量正極意味著該材料的較低的能量與功率密度上限。在室溫下，過(guò)低的離子電導(dǎo)率（10-5S/cm或更低）使離子難以在內(nèi)部遷移，在50～80℃的環(huán)境下利用才勉強(qiáng)接近可以實(shí)用化的10-3S/cm。此外，PEO材料的氧化電壓為3.8V，難以適配除磷酸鐵鋰以外的高能量密度正極，因此，聚合物基鋰金屬電池很難超過(guò)300Wh/kg的能量密度。

 

 

 

法國(guó)博洛雷公司率先將此類固態(tài)電池商業(yè)化。2011年12月其生產(chǎn)的以30kwh固態(tài)聚合物電池+雙電層電容器為動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)車(chē)駛?cè)牍蚕砥?chē)市場(chǎng)，這也是世界上首次用于EV的商業(yè)化固態(tài)電池。據(jù)資料顯示，該公司共投入約2900輛EV，設(shè)立了約900座服務(wù)站和約4500臺(tái)充電器，服務(wù)用戶合計(jì)達(dá)到18萬(wàn)人以上，其中近4成的約7萬(wàn)人為活躍用戶，每天的利用次數(shù)約為1.8萬(wàn)次。

 

 

 

該產(chǎn)品為后來(lái)者提供了參考與指導(dǎo)，但并不具備商業(yè)價(jià)值。博洛雷公司的聚合物固態(tài)電池采用了Li-PEO-LFP的材料體系，能量密度為110Wh/kg，對(duì)比傳統(tǒng)電池系統(tǒng)沒(méi)有密度優(yōu)勢(shì)。由于聚合物電解質(zhì)在室溫下難以工作，博洛雷為此電池系統(tǒng)搭配了200W的加熱器，發(fā)動(dòng)前需通過(guò)加熱元件將電池系統(tǒng)升至60-80℃。而在面對(duì)長(zhǎng)時(shí)間停車(chē)時(shí)，加熱器也需要一直處于工作狀態(tài)，停車(chē)時(shí)需要連接充電器。加熱器的存在，增加能耗，對(duì)電池包殼體設(shè)計(jì)增加了諸多限制，安全性也有待考究。此外，由于聚合物體系功率密度低，應(yīng)對(duì)緊急起步、緊急加速等場(chǎng)景需配載雙電層電容器彌補(bǔ)輸出。

 

 

 

聚合物體系可卷對(duì)卷生產(chǎn)，量產(chǎn)能力最好。由于聚合物薄膜擁有彈性和粘性，博洛雷與SEEO公司的電解質(zhì)均可由卷對(duì)卷的方式量產(chǎn)。卷對(duì)卷印刷技術(shù)在薄膜太陽(yáng)能電池、印刷等領(lǐng)域已有較廣泛應(yīng)用，其技術(shù)相對(duì)成熟，成本低廉。因此，聚合物體系是當(dāng)前量產(chǎn)能力最強(qiáng)固態(tài)電池。