近年來(lái)，動(dòng)力電池起火爆炸事故頻發(fā)，據(jù)鋰電大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年共發(fā)生50起鋰電池起火爆炸事件。提高電池的安全性能一直是鋰電人孜孜追尋的課題，而此時(shí)，兼具安全性和高續(xù)航優(yōu)勢(shì)的固態(tài)電池逐漸走進(jìn)大家的視野。

 

液態(tài)鋰電池安全性亟待提升

 

液態(tài)鋰電池已成為當(dāng)下最為成熟且使用最廣泛的技術(shù)路線，但其安全性問(wèn)題卻成為業(yè)界當(dāng)前遲遲攻克不下的難題。據(jù)鋰電大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年共發(fā)生了50起鋰電池起火爆炸事件，鋰電池起火爆炸事故頻發(fā)為我們敲響警鐘——鋰電池安全性能亟待提升。

 

鋰電池為何頻頻起火?究其原因還是電池內(nèi)部的活性物質(zhì)及電解液發(fā)生反應(yīng)，溫度過(guò)高失控導(dǎo)致。固態(tài)電池中不含可燃的液體電解質(zhì)，這一特性能夠極大地改善電池的安全性。中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員李泓曾表示，在未來(lái)，很多電池形態(tài)將以全固態(tài)形式出現(xiàn)，包括金屬鋰、鋰硫和鋰空氣電池，為提高安全性未來(lái)大體策略就是固態(tài)化。

 

固態(tài)電池能量密度提升2倍

 

續(xù)航里程問(wèn)題始終是限制純電動(dòng)車普及的關(guān)鍵因素之一，而電池續(xù)航里程的長(zhǎng)短在很大程度上取決于電池儲(chǔ)能能力即單位體積的能量密度。當(dāng)工作電壓只能在固定區(qū)域內(nèi)，要提升電池能量密度，只能依靠對(duì)電極材料的能量密度提升。目前現(xiàn)有鋰電池正極材料一般有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等，而負(fù)極材料一般為石墨、硬/軟碳、鈦酸鋰以及合金負(fù)極材料，這些材料的可挖掘空間已經(jīng)并不大。所以，要大幅提升鋰電池的續(xù)航里程，除非在電極材料上能找到新的替代品。此時(shí)，與液態(tài)鋰電池相比能量密度提升2倍的固態(tài)電池脫穎而出。

 

從理論的提出時(shí)間來(lái)看，固態(tài)電池并不是一個(gè)新的概念。此前，中國(guó)工程院院士陳立泉專門就固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及其優(yōu)越性能進(jìn)行了闡釋，并提出，固態(tài)電池中不含可燃的液體電解質(zhì)，這一特性能夠極大地改善電動(dòng)汽車的安全性，因此他建議應(yīng)大力支持固態(tài)電池的研究、開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。如果能量密度進(jìn)一步提高，大于500瓦時(shí)/公斤的話，從現(xiàn)在開(kāi)始就要考慮固態(tài)鋰電池體系探索研究。

 

固態(tài)電池受到科研界廣泛關(guān)注

 

固態(tài)電池或?qū)⒊蔀橄乱徊诫姵匕l(fā)展的主流方向。但固態(tài)電池還面臨生產(chǎn)工藝待提高、成本待下降的發(fā)展瓶頸，為此科研界為此進(jìn)行大量研發(fā)工作。

 

由美國(guó)前密歇根大學(xué)工程學(xué)教授瑪麗˙塞思特里創(chuàng)辦的Sakti3研發(fā)出了一種使用平板電視與太陽(yáng)能面板制造技術(shù)制成的固態(tài)鋰電池，這種電池因采用“薄膜沉積技術(shù)”，使其造價(jià)僅為目前鋰電池造價(jià)的五分之一，然而能量密度卻是鋰電池的兩倍。

 

2016年9月，中科院青島生物能源與過(guò)程研究所研發(fā)出高能量密度、高性能全固態(tài)鋰離子電池，已通過(guò)11千米全海深模擬壓力倉(cāng)循環(huán)壓力測(cè)試，將來(lái)有望成為“蛟龍?zhí)?rdquo;等全海深深潛器的理想能量動(dòng)力。該新型全固態(tài)電解質(zhì)膜的電化學(xué)窗口可高達(dá)4.6V，電解質(zhì)熱穩(wěn)定溫度至少能達(dá)到200℃，當(dāng)這種電解質(zhì)用于全固態(tài)鋰離子電池時(shí)，經(jīng)過(guò)1000次的充放電長(zhǎng)循環(huán)，仍保持92%的容量。即使當(dāng)研究人員對(duì)這種固態(tài)電池進(jìn)行切角和穿釘測(cè)試時(shí)，它仍然可以正常地進(jìn)行充放電。另外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一系列綜合性能優(yōu)異的全固態(tài)聚合物電解質(zhì)，將鋰電池的能量密度提高了兩倍，電動(dòng)車的續(xù)航里程有望提高到450公里以上，應(yīng)用前景極其廣闊。

 

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員們，通過(guò)石榴石作為電解質(zhì)，使得固態(tài)電池電極和電解質(zhì)之間的接觸面積放大，從而實(shí)現(xiàn)了固態(tài)電池充電速度加快的效果，并且夠承受100℃的高溫。

 

美國(guó)SunCulture Solar則將固態(tài)電池技術(shù)應(yīng)用到儲(chǔ)能領(lǐng)域中，其開(kāi)發(fā)的新型一體化太陽(yáng)能電池板，內(nèi)置有固態(tài)低壓電池，并與逆變器無(wú)縫集成。這種完全一體化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可將太陽(yáng)能安裝和儲(chǔ)能總成本降低50%以上。

 

美國(guó)國(guó)家航空航天局在與邁阿密大學(xué)合作，研制一種新型固態(tài)鋰電池。這種固態(tài)電池的體型比傳統(tǒng)鋰電池更小，可以用在“立方體衛(wèi)星”等微型衛(wèi)星上。

 

今年1月，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院高分子科學(xué)與工程系范星河教授/沈志豪副教授及其研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了一種新型、具有高溫穩(wěn)定性的鋰電池固態(tài)聚電解質(zhì)膜，有望打破現(xiàn)有鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)研究、產(chǎn)業(yè)格局。

 

企業(yè)發(fā)力固態(tài)電池

 

固態(tài)電池由于其高安全性、高能量密度和長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，成為下一步電池發(fā)展的主流方向。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾企業(yè)紛紛布局發(fā)力固態(tài)電池領(lǐng)域。

 

戴森公司

 

2016年8月英國(guó)戴森公司14億美元投建固態(tài)電池廠。公司曾在2015年以9000萬(wàn)美金收購(gòu)固態(tài)電池企業(yè)Sakti3，并表示將會(huì)投資近10億美元生產(chǎn)固態(tài)電池。2015年，Sakti3聲稱已制造出能量密度達(dá)每公升1.1千瓦時(shí)的電池，這一能量密度要比鋰離子電池的高大約50%，電池蓄電量是特斯拉現(xiàn)在使用的鋰電池的兩倍。

 

豐田

 

豐田也在開(kāi)發(fā)全固態(tài)電池，目前其實(shí)驗(yàn)原型產(chǎn)品可達(dá)到400瓦時(shí)/升的體積能量密度。早在2010年，豐田就曾推出過(guò)續(xù)航里程可超過(guò)1000KM的固態(tài)電池。據(jù)悉，豐田研發(fā)的全固態(tài)電池可在2025年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

 

松下

 

松下全新研發(fā)的固體蓄電池中能量密度相對(duì)提高了3至4倍。據(jù)悉，固體松下蓄電池后將使RAV4電動(dòng)版的續(xù)航里程增加至少3倍達(dá)500公里以上，其將首次達(dá)到普通汽油車型的行駛里程。

 

蘋(píng)果公司

 

自2012年來(lái)，蘋(píng)果公司就開(kāi)始積極布局全固態(tài)電池技術(shù)的專利，期待能把這種新型電池用在iPad、MacBook等設(shè)備及以后將要開(kāi)發(fā)的柔性電子設(shè)備上。2015年11月份，美國(guó)專利商標(biāo)局公布了蘋(píng)果公司一項(xiàng)與固態(tài)電池充電技術(shù)相關(guān)的新專利——便攜設(shè)備的固態(tài)電池充電技術(shù)。

 

珈偉股份

 

2016年11月15日，珈偉股份在上海舉辦全球首例固態(tài)鋰電池與快充鋰電池產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，專家介紹并演示了兩個(gè)新產(chǎn)品的性能。珈偉股份表示，未來(lái)將全力加速固態(tài)鋰電池與快充鋰電池的合體，將更深一層的安全保障與超強(qiáng)性能合二為一。若未來(lái)能與更多電動(dòng)汽車廠商合作，則極有可能推動(dòng)顛覆性變革的產(chǎn)生。

 

博世

 

德國(guó)汽車零部件巨頭博世，2015年收購(gòu)美國(guó)電池公司“Seeo”。博世和Seeo然后與日本著名的GS YUASA(湯淺)電池公司和三菱重工共同建立了新工廠，主攻固態(tài)陽(yáng)極鋰離子電池。

 

寧德時(shí)代

 

寧德時(shí)代在做固態(tài)電池之前對(duì)全球做固態(tài)電池的企業(yè)做了調(diào)研，目前該項(xiàng)目還處于早期階段。寧德時(shí)代在研發(fā)過(guò)程中，也在關(guān)注固態(tài)電池的制造問(wèn)題，固態(tài)電池整個(gè)制造工藝跟傳統(tǒng)的鋰離子的制造工藝不同，需要新的設(shè)備，新的工藝，所以寧德時(shí)代也同時(shí)進(jìn)行工藝的研發(fā)。

 

天津新動(dòng)源

 

今年1月，天津新動(dòng)源科技發(fā)展有限公司與南京高新區(qū)智能制造產(chǎn)業(yè)園簽訂框架合作協(xié)議，建設(shè)總投資約30億元10GWh新型固態(tài)鋰電池項(xiàng)目。據(jù)悉，將在未來(lái)兩年實(shí)現(xiàn)高比容量固態(tài)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計(jì)5年后達(dá)到10GWh的產(chǎn)能。

 

輝能科技

 

臺(tái)灣輝能科技推出一款采用軟性電路板為基材的固態(tài)電池，其厚度可以達(dá)到驚人的2mm，相當(dāng)于一小片口香糖的厚度，可以隨意折疊彎曲，展開(kāi)弄平整再進(jìn)行使用。這么一塊看似不起眼的電池，其容量可以達(dá)到1000毫安，而一個(gè)iPhone般大小的充電寶，其容量也就在5000毫安左右。

 

寶馬

 

寶馬正在研發(fā)固態(tài)電池技術(shù)，將于2026年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。這款新電池將使用固態(tài)電解質(zhì)代替目前鋰離子電池普遍使用的電解液，電池容量也將有15%-20%的提高。

 

小結(jié)

 

固態(tài)電池中不含可燃的液體電解質(zhì)，能夠極大改善電池的安全性，雖就目前看來(lái)，固態(tài)電池現(xiàn)在的制備技術(shù)成熟度還有待加強(qiáng)，仍處于推廣發(fā)展期。但隨著固態(tài)電池的應(yīng)用價(jià)值日益受到重視，固態(tài)電池受到科研界廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)不斷取得重大突破。相信未來(lái)固態(tài)電池產(chǎn)品的市場(chǎng)會(huì)迎來(lái)蓬勃發(fā)展的機(jī)遇，商業(yè)化可期。