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充电时间极短,续航里程超长,很多新闻都是这样形容固态电池的。前不久电动汽车制造商菲斯科(Fisker)申请了一项固态电池专利,有媒体报道能使电动汽车的续航能力提高到804公里,而且使充电时间也缩短到一分钟。此前,丰田、日立等企业也都曾声称已申请了固体电池的相关专利。从世界范围看,固态电池有望在2025年前后迎来商业化量产。
我们不禁要问,固态电池到底有何神奇之处?如今,固态电池相关技术突破、专利申请的新闻层出不穷,在惊叹固态电池可以实现“极速充电+超长续航”的时候,也要看清是否能在通常条件下实现这种电池的量产推广。分析菲斯科固态电池超高性能的实现路径,笔者请教相关专家得出的结论是,如果采用聚合物固态电解质路线,这种极速快充很可能是建立在实验室特殊条件(高温充电)下试验样件基础之上的。“抛开商业化谈技术”都是耍流氓,在我们关注材料技术新突破时,不妨也多关注一下固态电池的生产工艺及量产设备有何等进展。
“固态”到底是个什么概念?
顾名思义,电解液在常温下的物质形态是液体,具有一定的流动性,而所谓的固态电解质就是要将这种液态(或胶态)的分散系替换成固态电解质。
相比于具有流动性的电解液,固态电解质的特点非常明显:
安全性极高——固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,克服了锂枝晶现象,因而全固态电池具有极高安全性;
能量密度提升——固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口,有利于进一步提升电池的能量密度;固态电解质能阻隔锂枝晶生长,材料应用体系范围大幅提升,为具有更高能量密度空间的新型锂电技术奠定基础。
极速充电是如何做到的?
回过头来再看Fisker的这项固态电池专利,外界传闻“充电1分钟续航800km”的说法过于笼统,没有明确具体车辆和工况。笔者请教相关专家得出的结论是,如果采用聚合物固态电解质路线,这种极速快充很可能是建立在实验室特殊条件(高温充电)下试验样件基础之上的。
按照之前报道的说法,Fisker的专利采用了所谓的“三维固态”电解质,这一点非常符合无机固态电解质的特点。虽然有些无机固态电解质(比如基于团簇离子的反钙钛矿锂离子超导体)在室温下具有可以和液态电解质相比拟的离子电导率,但是在体积变化(这就是为什么很多固态电池样件都是做成软包叠片电池)、界面电荷转移电阻、灵活性和较差的循环稳定性等方面存在诸多问题。
Fisker预计它们的固态电极技术可以在2023年被用在电动汽车中,这个与大多数相关电池的公司的时间点非常契合,从世界范围看,预计固态电池会在2020年左右能够实现小批量的量产。宝马声称有望于2026年实现固态电池突破性进展并随后量产;丰田也正在全力研发固态电池,并且已经开发出能量密度为400 Wh/kg的电池原型,大约在2020年实现商业化应用,预计到2025年能得到实质性改善。
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