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近年来,不少汽车厂商都透露过基于固态电池打造电动汽车的计划。例如“Fisker申请固态锂电池专利,最高续航800km,充电1分钟”、“大众计划研发续航1000km固态电池”等新闻屡见不鲜。这背后的“黑科技”——固态电池到底有什么能耐?离实际应用还有多远?我们就来具体聊一下固态电池的现状和前景。
30秒读懂全文:
●根据电解质的不同可分为液态、半固态、准固态、全固态四大类。
●现有体系的锂电池能量密度很难突破300Wh/kg,基于安全和能量密度上的优势,固态电池已成为未来锂电池发展的必经之路。
●准固态电池将以聚合物复合电解质为主,薄膜固态电池以氧化物复合电解质为主,全固态电池以硫化物复合电解质为主。
●目前快充型电池主要在客车领域应用较多,未来快充型动力电池的消费结构将会向用车、专用物流车偏移。
一、固态电池有哪些优点
目前,动力电池全球化竞争日益激烈,虽然中国企业在本轮竞争中占据了市场规模优势,但欧美、日韩等企业已经在为下一阶段做布局,是潜在的强大竞争者。有不少专家呼吁建议,应该关注固体电池发展的问题。尽管目前固态电池还多处于试验阶段,离走向产业化还有一定时间。但为了抢占未来发展的制高点,各企业对固态电池的研发已快马加鞭,市场需求或推动固态电池量产提前。
按照《中国制造2025》确定的技术目标,2020年锂电池能量密度到300Wh/kg,2025年能量密度达到400Wh/kg,2030年能量密度达到500Wh/kg。但是基于高镍三元+硅碳负极材料,现有体系的锂电池的能量密度很难突破300Wh/kg。而固态锂电池的能量密度大约为传统锂电池的2.5—3倍,且杜绝了电池破裂或高温等意外带来的燃烧隐患。
全固态锂电池具有极高的安全性,其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液,同时也克服了锂枝晶现象,搭载全固态锂电池的汽车的自燃概率会大大降低。
电解质材料是全固态锂电池技术的核心,目前固态电解质的研究主要集中在三大类材料:聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高温性能好,已经有商业化的应用案例;氧化物循环性能良好,适用于薄膜柔性结构;硫化物电导率最高,是未来主要方向。
既然固态电池有这么多优点,为什么没有大力推广呢?这是因为固态电解质具有高的电阻,在功率密度方面还存在一些待解决的问题,需要从固态电解质、正负极材料上着手。电导率、电池倍率、电池制备效率、成本控制方面都存在不小的挑战,一旦这些问题能够有效解决,必将在未来掀起一场新的电池革命。
总体来看固态电池的发展,电解质可能遵循从液态、半固态、固液混合到固态的路径发展,最后到全固态。笔者认为,2020年前采用高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现300Wh/Kg,2025年前采用富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现400Wh/Kg,2030年前燃料/锂硫/空气电池实现500 Wh/Kg。
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