钜大LARGE | 点击量：612次 | 2022年01月08日
固态电池：能让纯电动汽车实现大规模商业化？
面对着环境的污染，石油慢慢在枯竭，我们要更新的能源，电动汽车相对燃油车更环保，但在存储和充电方面却还不能满足大家的需求。现在更要更新的材料，让电动汽车充电更快，用更小的体积和重量存储更多的电能。
固态电池被业界冠上诸多头衔:''替代锂离子电池''、''下一代锂离子电池技术''、''最好的出路''……关键在于，现有的液态锂离子电池体系能量密度极限在350-500Wh/kg，未来很难满足国家技术提升目标，而固态电池的能量密度能够达到800-900Wh/kg。
加上充放电次数高、充电时间短等特性，固态电池大大提高了电动汽车的续航里程，从而进一步加强新能源汽车和传统汽车市场的竞争。不仅如此，使用固态电解质替代锂离子电池中的电解液和隔膜，也降低了新能源汽车的事故风险。
我国科学院物理研究所研究员介绍，目前已经实现商业化的大容量固态电池重要还是聚合物固态电池，即聚环氧乙烷基固态电解质。根据加拿大魁北克水电研究所的数据显示，电池可以使用46微米厚的金属锂，30微米厚聚合物电解质以及30微米厚的磷酸铁锂正极构成，在1/3C条件下循环一千多次，工作温度在60℃到85℃，并且电池包要具备加热保温功能。国外大鳄密集公布商业化时间表进入2017年后，国内外公司加速固态电池商业化布局。意味着，2018年将有更多的公司进入该领域，而商业化进程将有更明确的时间表。
在今年九月的法兰克福车展上，大众公布了大规模电动汽车发展计划''RoadmapE''，计划到2030年大众全部车型都将有电动版，投资高达700亿欧元，其中500亿欧元将投向动力锂电池。同时，大众CEO穆伦强调:''我们已经计划下一代动力锂电池:里程超过1000公里的固态电池''
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
一个月后，丰田在东京车展上，宣布把推出固态电池产品的日程从原来的2022年提前到2020年。据丰田执行副总裁介绍，丰田的固态电池能量密度可达到300Wh/kg，甚至600Wh/kg。假如是400Wh/kg，为60千瓦时的固态电池充电仅需10到15分钟。
每一次电池性能的显著提升，本质上都是电池材料体系的重大变革。因为每一类电池材料体系都有其能量密度的上限。
从第一代的镍氢电池和锰酸锂离子电池，第二代的磷酸铁锂离子电池，到目前广为采用并预计持续到2020年左右的第三代三元电池，能量密度和成本分别呈现出阶梯式上升和下降的明显趋势。因此，下一代动力锂电池选用何种电池体系，关于实现2025年左右的电动汽车普及的目标至关重要。
目前的磷酸铁锂离子电池，单体能量密度大致在120-140Wh/kg，规模化的三元电池单体能量密度可以达到130-220Wh/kg，实验室里的三元电池则可以达到300Wh/kg。
但受制于现有体系架构和关键正极材料影响，现有体系的锂离子电池能量密度基本上很难突破300Wh/kg，很难满足未来动力锂电池的需求。想要达到2025年单体电池能量密度400Wh/kg、2030年500Wh/kg的水平，新兴电池技术研发及产业化迫在眉睫，那意味着电动汽车的续航里程相比现在将翻一番。
目前商用的锂离子电池，重要问题在于使用液态/胶状电解质，电化学窗口有限，难以兼容金属锂负极和新研发的高电势正极材料，从而使能量密度上升存在瓶颈。而在安全层面，这样的架构还会造成短路引燃、离子浓度差增大电池内阻、电极材料持续消耗等问题。
而固态电池进入视野，正因为它具有高的离子电导率和机械强度、宽的电化学稳定窗口和工作温度区间，能够实现高能量密度、高功率密度和高安全。
固态电解质比有机电解液具有更宽的电化学窗口，有利于进一步拓宽电池的电压范围，并且因为不存在浓差极化而可以工作在大电流条件，从而提升电池能量密度。同时固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题、无需隔膜隔开正负极、阻止锂枝晶的生长，从根本上防止了电池的短路现象，能够应用更多的负极材料。
此外，在集成进电动汽车时，固态电池还具有结构紧凑、规模可调、设计弹性大等利于整车集成的特点。
目前具有潜力的固态电解质材料可以分为聚合物、硫化物和氧化物，然而不同的材质和不同的排列组合化学性能差异很大，有的充电速度快，有的能量密度高，各有所长又各有所短，很难做到一种材料解决所有的问题。
同时化学性质不够稳定、制备工艺不完善等问题的真实存在也让固态电池还有相当长的路要走。
固态电池产业化的实现从根本上还是取决于材料工艺层面的突破，目前有关固态电池的专利远超其它类型电池的综合。高能量密度全固态电池的产业化应用，预计将耗时5-10年时间。部分先进公司会在2020年小批量生产固态电池，而真正大面积量产预计会在2025年左右。
科技在发展，人类在进步，希望研究机构和公司研究出更实用，价格更亲民的产品。让我们的世界更美好。
