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在固态离子学中,固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。固态电池一般功率密度较低,能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高,所以它是电动汽车很理想的电池。
专家预测,2020年固态电池技术研发有望取得突破性进展,在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂离子电池技术。2030年,锂离子电池将不再是电动汽车电池主流,但其在某些电子原件领域仍有一席之地。
“如果能量密度进一步提高,大于500瓦时/公斤的话,从现在开始就要考虑固态锂电池,以及锂空气电池、锂硫电池等新的电化学体系探索研究”,中国工程院院士陈立泉在谈到电池的未来发展时也如此表示。电动汽车产业中长期发展需要进行技术储备,固态电池有望成为我国下一代车用动力电池的重要技术路线。
未来的技术路线为何会是固态电池?
当今占据技术主流的是锂离子电池,但是从长期来看,固态电池或许更能满足人们对高能量和高安全性的现实需求。
工作原理上,固态锂电池和传统的锂电池并无区别。传统的液态锂电池被称为“摇椅式电池”,摇椅的两端为电池的正负两极,中间为液态电解质。锂离子像一个运动员,在摇椅两端来回奔跑,锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池的充放电过程就完成了。而固态电池只不过其电解质为固态,具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。
固态电池有很多优势,发展前景值得期待。其中,两个最明显的优势就是能量密度更高,运行更安全。使用了全固态电解质后,锂离子电池可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以大大减轻负极材料的用量,使得整个电池的能量密度有明显提高。
现在许多实验室中,都已经可以小规模批量试制出能量密度为300-400Wh/kg的全固态电池。固态电池在大电流下工作不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路,不会在高温下发生副反应,不会因产生气体而发生燃烧,因此,安全性被认为是固态电池发展的最根本驱动力之一。
当然,现今技术日新月异,发展迅速,固态电池可能是未来电池技术的发展方向之一,但也不能说固态电池就是最好的。此外比如燃料电池、超级电容器、铝空气电池、镁电池等,在理念上都有较大的发展空间,而最终,要看哪种路线发展更快、更接地气,更能在商业化的规模和成本方面达到完美的平衡点。要达到完美的平衡点,首先,使用的材料必须不能是高成本且稀有的。其次,要在各个行业和领域都有实现大规模应用的可能。
从理论的提出时间来看,固态电池并不是一个新的概念,但多年来,研发上的进展并没有想象那么快速。韩国三星的一位技术人员认为,即便最终能做到成本上的降低,电池从实验室到最终的量产也需要不短的时间。正如液态锂电池,在上世纪70年代,相关的理念和实验认证就在齐头并进地推进,但真正大规模的使用,已经是20世纪末了。
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