不自燃、續(xù)航不焦慮的電池離我們還有多遠？

時間:2022-04-01 17:49來源:WHYLAB 作者:WHYLAB
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       水有三態(tài) —— 液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)，現(xiàn)代硬盤主要有兩類，機械硬盤、固態(tài)硬盤；或許你有聽說過，其實電池也有「固態(tài)」的。
 
       固態(tài)硬盤稱之為「固態(tài)」的解釋有多個版本，但通俗來說，它由固態(tài)電子存儲芯片矩陣列組成的，相比起以磁性材料為存儲介質(zhì)的機械硬盤，其形態(tài)更為固定，故成為「固態(tài)硬盤」。
 
       固態(tài)電池是否也是如此呢？
 
01 
 
電池如何「固態(tài)」？
 
       如今大多數(shù)的蓄電池，特別是鋰離子電池，其電解質(zhì)都是液態(tài)的，可以稱之為「液態(tài)鋰離子電池」—— 而所謂「固態(tài)電池」其實就是與之相對的一種鋰離子電池技術(shù)。
 
       我們知道，如今成熟的鋰離子電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)包括有正極（陰極）、負極（陽極）、電解質(zhì)，還有分隔陰陽極（正負極）的隔膜。
▲ 傳統(tǒng)鋰電池（左）與全固態(tài)電池（右）內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意
 
       而固態(tài)電池，將當(dāng)中原本液態(tài)的電解質(zhì)改為了固態(tài)材料，并去掉了獨立的隔膜結(jié)構(gòu)。
 
       當(dāng)然，固態(tài)電池的類型也是多種的，以電解質(zhì)來分，有氧化物、硫化物、聚合物等，它們都有不同的優(yōu)勢和劣勢，成本上也各有優(yōu)勢，這方面后面再聊。
 
02 
 
電池為什么要固態(tài)？
 
       聊到我們今天已司空見慣的「液態(tài)鋰離子電池」，總能找到它的槽點 —— 自鋰離子電池面世以來，它的進步仍趕不上我們的需求，即使是近幾年電動汽車的發(fā)展帶動了鋰電池技術(shù)的發(fā)展，今天的手機還得一天一充、電動汽車的續(xù)航仍比不上油車；即使配套的電池管理技術(shù)再怎么完善，電池本身的安全性的進步仍有限，仍時不時有手機電池自燃燒傷用戶、電動汽車自燃難以撲滅的新聞出現(xiàn)。
       現(xiàn)實中，電池的容量和安全二者常常會處于博弈的關(guān)系中，例如被廣泛用作動力驅(qū)動的磷酸鐵鋰和三元鋰電池，前者能量密度略低、熱穩(wěn)定性高（安全性較強）、不耐低溫、壽命長、成本較低，后者則與之相對，密度較高、熱穩(wěn)定性較差（相對容易熱失控）、耐低溫、壽命較短、成本較高 —— 因此車廠們和電池廠會依據(jù)自身產(chǎn)品定位的取舍來選擇電池類型。
 
       磷酸鐵鋰和三元鋰電池是如今鋰電池的縮影，而另一方面液態(tài)鋰離子能量密度已經(jīng)貼近技術(shù)天花的 300Wh/kg 左右（實際密度更是低于這個值），而下一步摻硅等方法改進的傳統(tǒng)鋰電池，只能將理論天花板捅到 400Wh/kg 左右。
▲ 傳統(tǒng)三元鋰電池針刺實驗截圖（極易熱失控）
 
       前面提到的安全問題，可以說是如今「液態(tài)」鋰離子電池的痛 ——在過充、電解質(zhì)活性低等情況下，鋰離子若無法及時嵌入到石墨負極時，會在負極表面形成金屬鋰枝晶，一來會損失鋰離子，降低電池的容量，二來形成的金屬鋰枝晶可能會有刺穿陰陽極之間的隔膜，造成短路的風(fēng)險，電池內(nèi)部一旦短路，很有可能引起熱失控，引起自燃。
 
       而固態(tài)電池，理論上能解決液態(tài)鋰電池的這兩個問題。
▲ 三元鋰固態(tài)電池針刺實驗截圖（不易產(chǎn)生熱失控）
 
       首先固態(tài)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，普通電池液態(tài)的有機電解液含有易燃的溶劑，固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)則不需要，直接去掉了易燃的隱患，陰陽極之間就不需要額外的隔膜結(jié)構(gòu)，即使電池遭到破壞，也不易發(fā)生自燃 —— 將鋰電池的安全性提升到另一個次元。
       而容量方面，得益于固態(tài)電池穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其能量密度能突破普通鋰離子電池 300Wh/kg~400Wh/kg 的天花板限制 —— 都說如今的鋰離子電池能量密度的天花板實際是安全性與堆料性能不斷博弈的結(jié)果 —— 例如三元鋰電池的正極（陰極）材料，就是利用了鎳的比能量高特性，才提升了鋰電池的能量密度，但鎳的含量高了，電池就越不穩(wěn)定 —— 如果安全問題「解決」了，那么即使材料不變，鎳的含量可以進一步提升，而其它起穩(wěn)定作用的元素則可以降低（如「鈷」），這樣的電池密度就再進一步提升。
（摘自：許曉雄的《全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望》）
 
       以上兩點對于電池動力的汽車而言，都是利好的痛點改進 —— 一來提升電動汽車的安全性，二來大幅度提升電動汽車的續(xù)航能力和充電速度。
▲ 傳統(tǒng)鋰電池組封裝方式（左）與固態(tài)電池組封裝方式（右）
 
       此外，還有重要的一點，就是動力電池組的封裝問題，傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池組，一般是先生產(chǎn)出多個小電芯，再通過并聯(lián) + 串聯(lián)的方式組合成更大電池組的，而電芯之間還需要有冷卻系統(tǒng)的布置，整個電池組本身的電芯的占比還不夠高；而固態(tài)電池，可以直接串聯(lián)堆疊封裝而無需冷卻系統(tǒng)的布置，這樣一來，相同空間內(nèi)的電池組空間進一步壓縮，電芯占比提升，封裝的電池組容量也就再進一步提升了。
 
03 
 
它離我們多遠？
 
       最近有消息稱保時捷正研發(fā)的電動版 911 跑車將搭載固態(tài)電池，而這款固態(tài)電池將與 QuantumScape 共同合作開發(fā)；寶馬的首款固態(tài)電池車型或許最快于 2025 年上市；日產(chǎn)的首款固態(tài)電池計劃于 2029 年 3 月前推出。
       而蔚來其實早在去年的 ET7 發(fā)布會上，就透露其第一款電動轎車 ET7 將會有搭載 150kWh （半）固態(tài)電池的超長續(xù)航電池包版本推出，最近的 ET7 終于開啟交付了，但這一版本卻仍未見蹤影，也沒有報價。
       不過在最近的中國電動汽車百人會論壇上，這款電池的供應(yīng)商「衛(wèi)藍新能源」透露，用于這款車型的（半）固態(tài)電池將會在今年底、明年上半年正式量產(chǎn)交付，其能量密度可以來到 360Wh/kg 的水平，能換來 1000 公里的超長續(xù)航里程 —— 除了蔚來，衛(wèi)藍新能源近期還獲得小米（小米長江產(chǎn)業(yè)基金）、華為（哈勃投資）等企業(yè)的進一步投資；而 SK、寧德時代、贛鋒鋰電等電池廠也開始加速固態(tài)電池的布局，可見已經(jīng)有不少科技公司瞄準了固態(tài)電池的發(fā)展。
▲ 衛(wèi)藍新能源 30Ah 固態(tài)電池電芯樣品
 
       但值得注意的是，包括衛(wèi)藍新能源在內(nèi)，近期即將量產(chǎn)的固態(tài)電池實際上只是混合固態(tài)電池（根據(jù)液體含量不同俗稱半固態(tài)電池、準固態(tài)電池等），要實現(xiàn)真正的無液全固態(tài)電池，還需要一段時間來解決擺在面前的各種問題。
 
       做全固態(tài)電池為什么那么難，這就不得不說到固態(tài)電解質(zhì)對比起液態(tài)電解質(zhì)的缺點了 —— 首先是鋰離子的通過率較低，它決定了電池內(nèi)部陰陽極之間鋰離子的通暢性，前面提到的氧化物、硫化物、聚合物三種電解質(zhì)類型里，數(shù)硫化物類電解質(zhì)的通過率最高，但它的穩(wěn)定性較弱，且成本較高；第二個問題出在固態(tài)材料的接觸程度遠低于液態(tài)材料，接觸面積小了，界面阻抗也就越高，鋰離子的通暢性再度受阻 —— 這都限制了材料能量的釋放。
 
 
       而現(xiàn)階段的混合固態(tài)電池，是從液態(tài)到固態(tài)邁進的一種折衷技術(shù)路線，內(nèi)部因含有液態(tài)電解質(zhì)，這類混合固態(tài)電池其實還是會有隔膜的存在，不過安全性和能量密度理論上已經(jīng)比普通液態(tài)電池高了。
 
       中科院院士歐陽明高表示，2025年是液態(tài)電池向固態(tài)電池過渡的關(guān)鍵期；但實際上，全固態(tài)電池還需要新材料的研發(fā)、設(shè)計的革新、技術(shù)的成熟等方面跟上，要想真正實現(xiàn)全固態(tài)電池的量產(chǎn)，或許我們還有很長的路要走。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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