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编者按
虽然固态电池技术早已诞生,但要实现产业化并替代传统的锂离子电池仍需要较长过程,未来5-10年内锂离子电池仍将是主流路线。要实现全固态电池的大规模产业化,技术突破很关键,而且材料、工艺、设备都需要相应提升。
在电动汽车领域,如何通过持续提升动力电池的能量密度来提高单次充电续航里程,已经成为产业界和学术界所共同面临的问题和挑战之一。
按照《节能与新能源汽车技术路线图》,2020年的纯电动汽车动力电池的能量密度目标为350wh/kg,2025年目标为400wh/kg,2030年目标为500wh/kg。
业内指出,2020年能量密度可以通过对现有材料体系的潜力挖掘实现(即高镍三元+硅碳负极),2020年后需要通过材料和电池体系的升级来完成。
“如果能量密度进一步提高,一定从现在开始就要考虑固态锂电池。”中国工程院陈立泉院士看来,电动汽车产业中长期发展需要进行技术储备,而固态电池有望成为我国下一代车用动力电池主导技术路线。“发展固态电池,刻不容缓”。
除了可以达到更高的能量密度这一优势以外,固态电池还具有更安全、循环性更好、成本更低等优点,这主要是因为固态电池可能具备以下十大性质:有望抑制锂枝晶,不易燃烧、不易爆炸,无持续界面反应,无电解液泄露、干涸问题,高温性能更好,无胀气,原材料纯度要求降低,正极选择面宽,非活性物质体积量减少,电芯内部可串联。
目前,日韩、美国、欧洲等多个国家都已经开始布局固态电池,但基本都处于小容量样品电芯阶段。在我国也已经有中科院物理所、中科院化学所、大连化物所、宁德时代、天津力神、中航锂电等十余家研究机构和企业对固态电池展开研究。国内外主流的技术方向有聚合物固态电池、薄膜固态电池、硫化物电解质基固态电池等。
虽然固态电池在多方面表现出明显优势,但同时也有一些需要解决的问题:固体电解质材料导电率低、内阻较大;固态电解质、电极间界面阻抗大,界面相容性较差,界面锂离子电导率较低,固态电解质在充放电过程中体积膨胀和收缩,导致界面容易分离;有待设计和构建与固态电解质相匹配的电极,研究和开发出适合于固态电解质的锂离子电池体系;制备工艺复杂、成本较高等。
虽然说固态电池理论能量密度高,但是由于其电导率低,目前产业化的固态电池实际输出能量密度仍然较低,如法国BatScap目前批量应用的固态电池能量密度仅为100Wh/kg,远低于其理论水平。
要实现固态电池产业化,需要从以下几个方面入手:❶确定一种或几种成熟的生产工艺,提高规模化效应,降低使用成本;❷形成标准化的产品,提高生产效率及良品率;❸寻找合适的材料体系,解决输出能量密度低和锂枝晶问题。
GGII认为,虽然固态电池技术早已诞生,但要实现产业化并替代传统的锂离子电池仍需要较长过程,未来5-10年内锂离子电池仍将是主流路线。要实现全固态电池的大规模产业化,技术突破很关键,而且材料、工艺、设备都需要相应提升。
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