固態(tài)電池技術(shù)：固態(tài)電池技術(shù)有什么優(yōu)勢，有何不足？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-25 18:27
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此前，豐田官方就曾提到過在所有新形態(tài)的電池技術(shù)中，固態(tài)電池是被認為是最接近量產(chǎn)化的產(chǎn)品，其高能量密度、高電壓甚至可彎曲的特性，相比傳統(tǒng)動力電池實現(xiàn)跨步。那時至今日，固態(tài)電池究竟發(fā)展到了什么地步，它距離量產(chǎn)狀態(tài)還有多遠？本文我們將分多個方面和您分享一些信息。
●固態(tài)電池的技術(shù)路線
固態(tài)電池目前擁有很多的技術(shù)體系，包括硫化物、氧化物、薄膜以及固態(tài)聚合物。在早期固態(tài)電池技術(shù)的推進中，薄膜和固態(tài)聚合物技術(shù)是主要的走向，在過去幾年中，博世以及戴森等公司都在不斷加大在這兩項固態(tài)電池技術(shù)上的投資，但這兩家公司的做法都是通過收購來實現(xiàn)在電池技術(shù)上的追趕。
但薄膜和固態(tài)聚合物技術(shù)有“高成本”和“低導(dǎo)電率”兩個致命問題，例如薄膜技術(shù)無法在室溫（25°左右）條件下實現(xiàn)高導(dǎo)電率，所以需要不斷的去加熱并維持在60°才能保證擁有高效的導(dǎo)電率。所以在很多早期的固態(tài)電池試產(chǎn)車上，電池因為依賴不斷加熱，造成自我電量損耗，其實本身也無法發(fā)揮出其它的優(yōu)勢。
而豐田一直是專注于硫化物固態(tài)電池技術(shù)的開發(fā)，但硫化物本身活性很高，在生產(chǎn)和使用中一旦與水接觸，就會產(chǎn)生硫化氫。硫化氫為易燃?；?，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。所以硫化物固態(tài)電池技術(shù)路線雖然在生產(chǎn)成本上要相比薄膜技術(shù)更低一些，但如果保證從制造端到應(yīng)用端足夠高的安全性是更高的門檻，其實也屬于從另外一個角度增加了開發(fā)成本。
最后一個氧化物技術(shù)路線也有自己的缺點，氧化物本身很穩(wěn)定導(dǎo)致“脆性”很高，對生產(chǎn)的要求也就更高，同時導(dǎo)電性也并不具備優(yōu)勢，但從廣義上講，相比于其它三條路線，克服生產(chǎn)難度要比克服成本和安全性要更簡單一些，所以我們這期文章里也是通過采訪了一家目前已經(jīng)接近市場化的固態(tài)電池技術(shù)商，來了解陶瓷氧化物固態(tài)電池的一些技術(shù)優(yōu)勢和與傳統(tǒng)動力電池的差異。
在2019CES展會上，我們約訪了輝能科技公司（下文簡稱：PLG），其是一家專門研發(fā)鋰電池技術(shù)的供應(yīng)商，自2006年創(chuàng)辦后，用了8年的時間攻克了陶瓷氧化物技術(shù)，同時固態(tài)電池技術(shù)也是目前該公司最核心的研發(fā)項目，該技術(shù)全稱為：LCB固態(tài)鋰陶瓷電池，其技術(shù)特點是：高能量密度以及高電壓，針對目前純電動汽車的發(fā)展應(yīng)用，這兩大特性無疑是非常關(guān)鍵的。
●能量密度是先天優(yōu)勢，那高電壓如何實現(xiàn)？
傳統(tǒng)動力電池由于單體電池內(nèi)部使用液態(tài)電解液，并且承載電壓超過5V后可能會出現(xiàn)易分解甚至爆炸的情況，所以只能實現(xiàn)外部串聯(lián)而無法進行內(nèi)部串聯(lián)。但固態(tài)電池就擁有這樣的先天優(yōu)勢。固態(tài)鋰陶瓷電池能夠在電池內(nèi)部就首先形成串聯(lián)，使單顆電池芯的額定電壓可從7.4V，最大串聯(lián)疊加至高達60V，在單體電池電壓上就要遠高于傳統(tǒng)動力電池。
在實現(xiàn)內(nèi)部串聯(lián)的高電壓支持后，固態(tài)電池也能夠?qū)崿F(xiàn)雙極電池技術(shù)，這同樣也是傳統(tǒng)動力電池?zé)o法實現(xiàn)。當(dāng)單體電池在堆疊串聯(lián)后加入上下兩層導(dǎo)電材料，實現(xiàn)雙向正負極的連接，然后再次與橫向的另外一個電池包進行串聯(lián)，最高可以實現(xiàn)4×6達到24個單體電池雙向正負極對接的串聯(lián)技術(shù)，電壓也將由此再次疊加提高，組成一個完整的單體電池組。
最終6片24個串聯(lián)的電池組疊加后，加入鋁外殼包裝，形成一個單體的固態(tài)電池包（Cell），容量能夠達到20kWh以上，其單個固態(tài)電池組系統(tǒng)能量密度能夠達到255Wh/kg，而2020年這一數(shù)據(jù)會提高到270Wh/kg，這個系統(tǒng)能量密度是什么概念？可以對比一下2018年中國新能源車輛補貼政策。
『目前國內(nèi)電動車動力電池系統(tǒng)能量密度還維持在140wh/kg左右』
理論上，在密度和電壓雙增加的同時，BMS電控系統(tǒng)應(yīng)該更加復(fù)雜才對，但實際上固態(tài)電池在管理系統(tǒng)上也被得到了簡化，這再一次為最終封包整組的電池降低了重量和體積，這也是系統(tǒng)能量密度更高的原因之一。
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●密度和電壓雙增加，散熱如何解決？
在散熱方面，固態(tài)電池也具備先天的優(yōu)勢，整個電池組從滿電到放電結(jié)束，電池溫度會維持在26°以內(nèi)，而目前的圓柱形電池整個放電過程結(jié)束后，溫度會在40°以上。雖然固態(tài)電池技術(shù)目前與圓柱形電池一樣，同樣采用水冷，但因為本身放電溫度可以保持的更低，也讓散熱成為了其另外一大優(yōu)勢。
而基于固態(tài)電池本身放電溫度低的特性，在散熱方式上也能夠進行更多優(yōu)化。例如在電池與電池組中間加入散熱膠，然后熱量會通過散熱膠導(dǎo)向電池包兩側(cè)的水流散熱器上，進一步減少水流散熱的體積和重量。
固態(tài)電池技術(shù)提供商也表示，這種前沿的電池技術(shù)相比于傳統(tǒng)動力電池，密度提升優(yōu)勢是很核心的一方面。在固態(tài)電池本身擁有密度優(yōu)勢的前提下，也仍然要通過其它手段繼續(xù)優(yōu)化整組的密度疊加。所以針對整個電池組內(nèi)，盡可能減少其它線材或者散熱系統(tǒng)的空間及重量占用，讓電池組擁有最大化的整體密度提升。
冷卻系統(tǒng)以及BMS電池控制系統(tǒng)其實目前在圓柱電池組中有不小的空間占用，曾經(jīng)關(guān)于這個問題也有人討論過方形電池組是否要比圓柱電池組擁有更好的密度優(yōu)勢，原因就是方形電池組的散熱布局占用更小，當(dāng)然液態(tài)電池也有同樣的優(yōu)勢。
●固態(tài)電池的技術(shù)路線
固態(tài)電池目前擁有很多的技術(shù)體系，包括硫化物、氧化物、薄膜以及固態(tài)聚合物。在早期固態(tài)電池技術(shù)的推進中，薄膜和固態(tài)聚合物技術(shù)是主要的走向，在過去幾年中，博世以及戴森等公司都在不斷加大在這兩項固態(tài)電池技術(shù)上的投資，但這兩家公司的做法都是通過收購來實現(xiàn)在電池技術(shù)上的追趕。
但薄膜和固態(tài)聚合物技術(shù)有“高成本”和“低導(dǎo)電率”兩個致命問題，例如薄膜技術(shù)無法在室溫（25°左右）條件下實現(xiàn)高導(dǎo)電率，所以需要不斷的去加熱并維持在60°才能保證擁有高效的導(dǎo)電率。所以在很多早期的固態(tài)電池試產(chǎn)車上，電池因為依賴不斷加熱，造成自我電量損耗，其實本身也無法發(fā)揮出其它的優(yōu)勢。
而豐田一直是專注于硫化物固態(tài)電池技術(shù)的開發(fā)，但硫化物本身活性很高，在生產(chǎn)和使用中一旦與水接觸，就會產(chǎn)生硫化氫。硫化氫為易燃?；?，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。所以硫化物固態(tài)電池技術(shù)路線雖然在生產(chǎn)成本上要相比薄膜技術(shù)更低一些，但如果保證從制造端到應(yīng)用端足夠高的安全性是更高的門檻，其實也屬于從另外一個角度增加了開發(fā)成本。
最后一個氧化物技術(shù)路線也有自己的缺點，氧化物本身很穩(wěn)定導(dǎo)致“脆性”很高，對生產(chǎn)的要求也就更高，同時導(dǎo)電性也并不具備優(yōu)勢，但從廣義上講，相比于其它三條路線，克服生產(chǎn)難度要比克服成本和安全性要更簡單一些，所以我們這期文章里也是通過采訪了一家目前已經(jīng)接近市場化的固態(tài)電池技術(shù)商，來了解陶瓷氧化物固態(tài)電池的一些技術(shù)優(yōu)勢和與傳統(tǒng)動力電池的差異。
在2019CES展會上，我們約訪了輝能科技公司（下文簡稱：PLG），其是一家專門研發(fā)鋰電池技術(shù)的供應(yīng)商，自2006年創(chuàng)辦后，用了8年的時間攻克了陶瓷氧化物技術(shù)，同時固態(tài)電池技術(shù)也是目前該公司最核心的研發(fā)項目，該技術(shù)全稱為：LCB固態(tài)鋰陶瓷電池，其技術(shù)特點是：高能量密度以及高電壓，針對目前純電動汽車的發(fā)展應(yīng)用，這兩大特性無疑是非常關(guān)鍵的。
●能量密度是先天優(yōu)勢，那高電壓如何實現(xiàn)？
傳統(tǒng)動力電池由于單體電池內(nèi)部使用液態(tài)電解液，并且承載電壓超過5V后可能會出現(xiàn)易分解甚至爆炸的情況，所以只能實現(xiàn)外部串聯(lián)而無法進行內(nèi)部串聯(lián)。但固態(tài)電池就擁有這樣的先天優(yōu)勢。固態(tài)鋰陶瓷電池能夠在電池內(nèi)部就首先形成串聯(lián)，使單顆電池芯的額定電壓可從7.4V，最大串聯(lián)疊加至高達60V，在單體電池電壓上就要遠高于傳統(tǒng)動力電池。
在實現(xiàn)內(nèi)部串聯(lián)的高電壓支持后，固態(tài)電池也能夠?qū)崿F(xiàn)雙極電池技術(shù)，這同樣也是傳統(tǒng)動力電池?zé)o法實現(xiàn)。當(dāng)單體電池在堆疊串聯(lián)后加入上下兩層導(dǎo)電材料，實現(xiàn)雙向正負極的連接，然后再次與橫向的另外一個電池包進行串聯(lián)，最高可以實現(xiàn)4×6達到24個單體電池雙向正負極對接的串聯(lián)技術(shù)，電壓也將由此再次疊加提高，組成一個完整的單體電池組。
最終6片24個串聯(lián)的電池組疊加后，加入鋁外殼包裝，形成一個單體的固態(tài)電池包（Cell），容量能夠達到20kWh以上，其單個固態(tài)電池組系統(tǒng)能量密度能夠達到255Wh/kg，而2020年這一數(shù)據(jù)會提高到270Wh/kg，這個系統(tǒng)能量密度是什么概念？可以對比一下2018年中國新能源車輛補貼政策。
『目前國內(nèi)電動車動力電池系統(tǒng)能量密度還維持在140wh/kg左右』
理論上，在密度和電壓雙增加的同時，BMS電控系統(tǒng)應(yīng)該更加復(fù)雜才對，但實際上固態(tài)電池在管理系統(tǒng)上也被得到了簡化，這再一次為最終封包整組的電池降低了重量和體積，這也是系統(tǒng)能量密度更高的原因之一。
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●密度和電壓雙增加，散熱如何解決？
在散熱方面，固態(tài)電池也具備先天的優(yōu)勢，整個電池組從滿電到放電結(jié)束，電池溫度會維持在26°以內(nèi)，而目前的圓柱形電池整個放電過程結(jié)束后，溫度會在40°以上。雖然固態(tài)電池技術(shù)目前與圓柱形電池一樣，同樣采用水冷，但因為本身放電溫度可以保持的更低，也讓散熱成為了其另外一大優(yōu)勢。
而基于固態(tài)電池本身放電溫度低的特性，在散熱方式上也能夠進行更多優(yōu)化。例如在電池與電池組中間加入散熱膠，然后熱量會通過散熱膠導(dǎo)向電池包兩側(cè)的水流散熱器上，進一步減少水流散熱的體積和重量。
固態(tài)電池技術(shù)提供商也表示，這種前沿的電池技術(shù)相比于傳統(tǒng)動力電池，密度提升優(yōu)勢是很核心的一方面。在固態(tài)電池本身擁有密度優(yōu)勢的前提下，也仍然要通過其它手段繼續(xù)優(yōu)化整組的密度疊加。所以針對整個電池組內(nèi)，盡可能減少其它線材或者散熱系統(tǒng)的空間及重量占用，讓電池組擁有最大化的整體密度提升。
冷卻系統(tǒng)以及BMS電池控制系統(tǒng)其實目前在圓柱電池組中有不小的空間占用，曾經(jīng)關(guān)于這個問題也有人討論過方形電池組是否要比圓柱電池組擁有更好的密度優(yōu)勢，原因就是方形電池組的散熱布局占用更小，當(dāng)然液態(tài)電池也有同樣的優(yōu)勢。
