固態(tài)電池動(dòng)力化未來的用途以及發(fā)展方向
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-02-15 12:48
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一.能量密度大幅提高了。
因?yàn)槭褂昧斯虘B(tài)電解質(zhì)，之前與液態(tài)電解質(zhì)兼容不好的更高性能的正負(fù)極材料就可以應(yīng)用上了。例如可以將負(fù)極材料從當(dāng)前的石墨換成金屬鋰，金屬鋰作為負(fù)極材料，優(yōu)勢(shì)天差地別的：一來負(fù)極材料換成金屬鋰后要比石墨材料減輕了很大用量，二來金屬鋰的克容量高達(dá)3860mAh/g，是石墨材料（372mAh/g）的10倍，三來金屬鋰是自然界電化學(xué)勢(shì)最低的材料，對(duì)應(yīng)的正極材料選擇面更寬，可以是含鋰或不含鋰的化合物，也可以是硫或硫化物甚至是空氣（即鋰硫和鋰空電池），理論能量密度是當(dāng)前鋰電池的10倍以上。
此外，固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)窗口更寬，理論上可以達(dá)到5V，更加適應(yīng)于高電壓型正極材料，因?yàn)樘岣哒龢O材料容量需要充電至高電壓以便使其脫出更多的鋰離子，而當(dāng)前三元高鎳材料的應(yīng)用已然受到了耐高壓電解液的制約，因?yàn)橐岣哒龢O材料的容量就要充到更高電壓，而高電壓就會(huì)把液態(tài)電解液氧化。
所以在有固態(tài)電解質(zhì)之后，理論上電池的比能量就可以輕松突破350Wh/kg的天花板，甚至超越400Wh/kg。
二安全性能大幅提升。
液態(tài)電解質(zhì)中含有易燃的有機(jī)溶劑，發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)溫度驟升容易引起燃燒，導(dǎo)致電池起火爆炸。雖然可以通過加裝溫控和防短路這樣的安全裝置起到一定預(yù)防作用，但終究是治標(biāo)不治本，無法徹底解決安全問題。
而固體電解質(zhì)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}，也有望克服當(dāng)前困擾整個(gè)鋰電池行業(yè)的鋰枝晶問題。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)的絕緣性使得其可以把電池正極與負(fù)極阻隔，從而做到有效避免正負(fù)極接觸發(fā)生短路的隱患，所以說固態(tài)電池也具有很高的安全特性。
因?yàn)楣虘B(tài)電池具有很高的安全性，所以在系統(tǒng)集成時(shí)候就可以省去傳統(tǒng)電池PACK中很大一部分熱管理系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)，同時(shí)減少了組裝殼體用料。因?yàn)槌山M效率得到提升，進(jìn)而大幅提升整個(gè)電池PACK的系統(tǒng)能量密度。
三循環(huán)壽命有效拉長(zhǎng)。
固體電解質(zhì)可以避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)形成和生長(zhǎng)界面膜和鋰枝晶刺穿隔膜等問題，從而有大大提升了鋰電池的循環(huán)次數(shù)和使用壽命。
根據(jù)目前已有的報(bào)導(dǎo)，薄膜型固態(tài)電池的循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到4.5萬(wàn)次的水平了。
此外，固態(tài)電池還具有工作溫度范圍寬（可以達(dá)到300度以上），可以疊加多個(gè)電極，使單元內(nèi)串聯(lián)制備12V及24V的大電壓?jiǎn)误w電芯成為可能，以及由于沒有廢液使二次回收更加簡(jiǎn)單安全等優(yōu)勢(shì)。
有這些亮眼的諸多優(yōu)勢(shì)，固態(tài)電池看起來美好之極。但是，歷史經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一般前途光明的都會(huì)緊隨著道路的曲折，而前途越光明，道路就越曲折。我們必須認(rèn)識(shí)到的事實(shí)是，固態(tài)電池至今仍沒有走出實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)于固態(tài)電池的研究，目前還是偏學(xué)術(shù)多一些?；诠こ袒瘧?yīng)用方面的技術(shù)研發(fā)甚至還處于起步階段，而要到大規(guī)模量產(chǎn)和商業(yè)化，更是需要很長(zhǎng)的一段路要走。
拿今天清陶號(hào)稱已經(jīng)下線的小型固態(tài)電池產(chǎn)品為例，業(yè)界資深從業(yè)者、一個(gè)朋友告訴燕十七，“跟這差不多的小型固態(tài)電池，日本人（豐田）大概在2005年就搞出來了。一直沒有大規(guī)模商業(yè)化的原因，就在于技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟到這個(gè)地步。”
“講真，固態(tài)電池這條路真不好走。”
二.一個(gè)殘酷事實(shí)就是，當(dāng)前無論是從最基礎(chǔ)的材料到反應(yīng)界面，再到電池的理論研究和實(shí)驗(yàn)，以及更遠(yuǎn)處的規(guī)模產(chǎn)業(yè)化以應(yīng)用，都還沒有從根本上解決一些基礎(chǔ)難題。
固態(tài)電池的研究始于上個(gè)世紀(jì)八十年代，相關(guān)技術(shù)從不成熟走向成熟，從實(shí)驗(yàn)室走向工廠，從工廠走向終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用和普及，動(dòng)輒十幾年甚至幾十年已經(jīng)過去了，注定這條路是漫長(zhǎng)而艱苦的。
歷史上，在實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)出的很大比例的新技術(shù)，真正成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的只屬于少數(shù)。
一項(xiàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用，首先要在實(shí)驗(yàn)室中搞清楚其基本機(jī)理，繼而確定可以用來放大工業(yè)化的技術(shù)路線，最后經(jīng)過中試穩(wěn)定過后實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。而大多數(shù)時(shí)候，一項(xiàng)新技術(shù)得以工業(yè)化的最基本前提就是“簡(jiǎn)單粗暴”，只有這樣才能“易于理解”，只有易于理解才能最終落實(shí)給生產(chǎn)線上的作業(yè)人員，以標(biāo)準(zhǔn)化的工序放大生產(chǎn)。同時(shí)在生產(chǎn)過程中積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在每一個(gè)環(huán)節(jié)中精益求精地改進(jìn)，每一個(gè)細(xì)節(jié)都實(shí)現(xiàn)可控化，最終大規(guī)模生產(chǎn)出足夠一致性和穩(wěn)定性的產(chǎn)品。
而這期間，上游產(chǎn)業(yè)鏈如原材料、生產(chǎn)設(shè)備的配合更是必不可少。
這樣看來，固態(tài)電池還處于第一個(gè)階段，即還處于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行最基本的機(jī)理研究，解決一些基本問題的階段。
固態(tài)電池要想成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，甚至作為動(dòng)力電池被大規(guī)模應(yīng)用上車，至少需要翻越四座大山，而這幾座大山以目前技術(shù)水平來看，跨過的難度都是極大的。
三.固態(tài)電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率難題。
電解質(zhì)的功能就是在電池充放電過程中為鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)搭建通道，決定鋰離子傳輸順暢與否的指標(biāo)就是離子電導(dǎo)率，離子電導(dǎo)率的高低直接影響了電池的整體阻抗和倍率性能。而不幸的是，無論是哪種材質(zhì)的固態(tài)電解質(zhì)，離子電導(dǎo)率都普遍偏低，其中硫化物電解質(zhì)的電導(dǎo)率相對(duì)較高，也只是限于和最差的聚合物電解質(zhì)的對(duì)比。
聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電率差到哪種地步呢？在室溫25度下，聚合物電解質(zhì)的電導(dǎo)率要低于常規(guī)液態(tài)電解質(zhì)5個(gè)數(shù)量級(jí)，到60度時(shí)，依然差著2個(gè)數(shù)量級(jí)，到120度的時(shí)候依舊有1個(gè)量級(jí)的差距。
舉個(gè)例子，假設(shè)用這樣的一塊聚合物固態(tài)電池裝在你的手機(jī)里，你能想象你的手機(jī)內(nèi)部溫度高達(dá)近100度嗎？
再以法國(guó)Bollore公司為例，為了保證他們家采用聚合物固態(tài)電池的電動(dòng)汽車能夠正常運(yùn)行，法國(guó)人甚至還專門為每輛汽車上搭配了一個(gè)加熱元器件，每次啟動(dòng)車輛之前都要將電池加熱到80度，因?yàn)橹挥袦囟壬吆螅姵氐膶?dǎo)電性才能變好。
升高電池溫度這一過程不僅麻煩，而且會(huì)消耗能量，導(dǎo)致電池Pack的有效能量密度顯著下降，同時(shí)由于聚合物固態(tài)電池的功率性能較差，所以在實(shí)際使用時(shí)，還需要和大功率的超級(jí)電容器配合使用。
更要命的是，通常這種聚合物固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口都比較窄（一般在4V以下），對(duì)應(yīng)的正極材料選擇只能是磷酸鐵鋰、鈷酸鋰或者三元NCM111，使其總體能量密度很難達(dá)到300Wh/kg。例如法國(guó)Bollore公司的聚合物電池，雖然號(hào)稱是固態(tài)電池，但其比能量卻只有100Wh/kg。
由于固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率總體低于液態(tài)電解質(zhì)，這就導(dǎo)致了目前固態(tài)電池的內(nèi)阻過大，倍率性能整體偏低，所以固態(tài)電池暫時(shí)也就告別快充了（聚合物固態(tài)電池充滿電需要5個(gè)多小時(shí)）。業(yè)界人士表示，固態(tài)電池導(dǎo)電率要維持在在適當(dāng)?shù)乃?，不能過高，也不能過低，“這樣的材料非常難開發(fā)”。
所以，電導(dǎo)率的問題成為另一大阻礙固態(tài)電池商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸之一。
第三座大山是固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極的界面匹配問題。
雖然固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極材料界面基本不存在像液態(tài)電解質(zhì)分解那樣的副反應(yīng)，但電解質(zhì)由液態(tài)換成固體之后的弊端也是顯而易見的。鋰電池體系由電極材料-電解液的固液界面向電極材料-固態(tài)電解質(zhì)的固固界面轉(zhuǎn)化過程中，就必然存在著由于固固之間無潤(rùn)濕性（傳統(tǒng)鋰電池的電解液和正負(fù)極有很好的浸潤(rùn)性，可以達(dá)到你中有我我中有你的和諧境界），“硬碰硬”的直接結(jié)果就是電解質(zhì)和正負(fù)極界面相容性不佳，界面接觸電阻變大，從而嚴(yán)重影響了鋰離子在界面之間的傳輸。
電解質(zhì)和正負(fù)極之間的界面相容性，直接決定了界面反應(yīng)電阻和電池循環(huán)穩(wěn)定性等諸多性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，目前固體電解質(zhì)與正負(fù)極之間的界面接觸阻抗值是電解質(zhì)本體阻抗的10倍以上，這直接導(dǎo)致一系列惡果：固態(tài)電池的內(nèi)阻急劇增大、電池循環(huán)性能變差、循環(huán)壽命變短、倍率性能變差。
固體電解質(zhì)和正負(fù)極直接的界面匹配問題，界面阻抗大是制約固態(tài)電池循環(huán)性能的最重要瓶頸之一。
