钜大LARGE | 点击量：1307次 | 2019年04月15日
新能源汽车真正的技术革命：固态电池
一、现状与变革
虽然目前在客车领域磷酸铁锂电池享有绝对优势，锰酸锂电池是插电式混合动力客车市场的佼佼者，钛酸锂电池则更倾向于纯电动快充类客车，三元电池在纯电动乘用车市场占据主导地位，镍氢电池是混合动力乘用车的更多选，但动力电池一直以来都是制约新能源汽车发展的瓶颈所在，而且随着国家对新能源汽车补贴政策的影响和动力电池自身技术的升级，这些都将逐步成为历史。
（一）、国家政策
2017年新能源汽车补贴政策对电池能量密度的具体要求为：纯电动乘用车动力电池系统的质量能量密度不低于90Wh/kg，对高于120Wh/kg的按1.1倍给予补贴；非快充类纯电动客车电池系统能量密度要高于85Wh/kg；专用车装载动力电池系统质量能量密度不低于90Wh/kg。根据最新流传的补贴调整讨论稿，2018年纯电动乘用车要求动力电池系统的质量能量密度不低于105Wh/kg，补贴系数进行重新调档，电池包能量密度为105~120Wh/kg的按0.5的系数补贴，电池包能量密度为120~140Wh/kg的按1倍的系数补贴，电池包能量密度高于140Wh/kg按1.1倍的系数补贴；新能源客车要求，系统能量密度不低于110Wh/kg，要想获得1.2倍补贴，系统能量密度需要达到140Wh/kg以上；新能源专用车要求，装载动力电池系统质量能量密度不低于115Wh/kg。
（二）、技术升级
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%
目前商用的锂离子电池，主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。如果不能进行技术的升级，目前的许多新能源车企将求补无望。其次在安全层面，现在所采用的这些锂离子电池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。因此在各种新闻上我们看到有关电池技术突破或革命层出不穷，可更多的却还是停留在实验室阶段，譬如所谓的石墨烯电池，短期内批量生产、商用化无望，但从科研院所到生产企业在寻找动力电池新技术的脚步并未停下，2017年的几则新闻让大家开始关注固态电池。一则是中国工程院院士陈立泉在谈到电池的未来发展时表示“如果能量密度进一步提高，大于500Wh/kg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。”第二则是，日本企业巨头日立公司研究人员宣布其固态电池技术已经研发完成，新一代电池可以抵御外太空极端温度，并且已经将这种电池送到了航天部门和企业进行使用实践，声称要在三年后的2020年量产上市。第三则是，丰田正在研发由全固态电池提供动力的电动车。该动力电池将大大提升电动车的续航里程，并缩短充电时间。根据丰田的计划，这款电动车将于2022年上市销售。第四则是电动汽车制造商菲斯克公司今年申请了一项固态电池的专利，此项专利将可以实现1分钟充满电。同时，该公司将于2018年推出此项固态电池新技术。第一则是我国的动力电池龙头企业宁德时代也已做出表率，在聚合物和硫化物基固态电池方向分别开展了相关的研发工作并取得了初步进展，并在规模化生产上提出了初步的工艺路线。所以有专家分析认为：固态电池已经举起了“革命大旗”，未来锂电池整个产业链将会发生颠覆性变化。
二、固态电池优缺点
与传统液态锂电池相比，固态电池具有能量密度高、安全性好、循环能力强（使用寿命长）和适用范围广等优点，界面阻抗过大和成本相对较高等缺点。
（一）、能量密度高。
液体电解质电池能量密度最高可至300Wh/kg，但是超过500瓦时每公斤被认为是不可能的。全固态电解质后，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。固态电池研发可提供的能量密度基本可达300-400Wh/kg。
（二）、安全性好。
液态电解质易燃易爆，以及在充电过程中锂枝晶的生长容易刺破隔膜，引起电池短路，造成安全隐患。而固态电解质可以抑制锂枝晶、不易燃烧、不易爆破、无电解液走漏、不会在高温下发生副反应等，也就是说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。
（三）、循环性能强。
固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象，大大提升了锂电池的循环性和使用寿命，理想情况下循环性能表现优异，能够达到45000次左右。
（四）、适用范围扩大。
固态电解质赋予固态锂电池结构紧凑、规模可调、设计弹性大等特点，即可应用于驱动微型电子器件，也可用于动力和储能领域。此外，固态电池也拥有更宽的温度工作范围，目前基本保证-25℃—60℃的温度范围。
（五）、界面阻抗过大。
固态电解质与电极材料之间的界面是固--固状态，因此电极与电解质之间的有效接触较弱，离子在固体物质中传输动力学低。
（六）、成本相对较高。
据了解，液态锂电池的成本大约在200-300美元/KWh，如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池，其成本会达到1.5万美元，而足以为汽车供电的固态电池成本更是达到令人咋舌的9000万美元。
固态电解质电导率总体偏低导致了其倍率性能整体偏低，内阻较大，充电速度慢，且成本总体偏高，现在的固态电池如果要和普通锂离子电池在传统市场上竞争，并没有太大的优势。因此，发挥固态电池本身高安全性、高温稳定性、可能达到的柔性等其它多功能特性，与传统锂离子电池在差异化的市场中进行竞争，可能是固态电池近期内比较有希望的市场突破方向。
三、固态电池的类别与目前的发展情况
固态电池从电解质形态上分成三类，一个是纯聚合物，比如聚环氧乙烷；一个是无机固体电解质的氧化物或者硫化物；第三个是把聚合物和无机物复合在一起。这三种固体电解质最难解决的问题在于：在锂离子电池或者是将来的金属锂电池中，正极反复体积膨胀收缩后，与固体电解质相的接触会逐渐变差。对于固态电池来说，就是在循环过程中如何一直保持较低的电子和离子阻抗。如果没有更好的办法，这三类电解质中也可以添加少量液体来解决循环过程中电接触恶化的问题，这一类电解质可以称为混合固液电解质，也就是说电芯中同时含有固体电解质和液体电解质。
在固体电解质材料方面，国际上已经开发了很多类，主要包括氧化物、硫化物、氢化物、卤素、磷酸盐薄膜和聚合物。现在主流的电解质材料有三种：首先是氧化物固体电解质，采用无机陶瓷电解质来替代液体电解质，主要是解决正极侧的填充接触问题，可能需要非常复杂的表面包覆技术。对于硫化物电解质，其离子电导率非常高，也需要解决正极侧电阻变大的问题，同时解决制备、储存、服役过程中化学稳定性差和产生硫化氢的问题。对于薄膜电解质，离子电导率虽然很低，但是通过薄膜化降低面电阻，也可以制备使用器件。但是做成大面积叠层的大容量电池还是很有挑战。
总体来说，全固态电池的研发核心一在于电解质材料本身，二在于界面性能的调控与优化。许多研究分析，固态电池会成为动力电池未来的技术路线。相对而言，技术成熟度较高、技术沉淀较深的当属法国的Autolib、美国Sakti3和日本丰田。这三家也分别代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固态电解质的典型技术开发方向。我国2013年中科院设立了全固态锂电池先导计划，目前中科院宁波材料所、中科院上海硅酸盐所、青能所、天津十八所、清华大学、中科大、复旦大学、特种科大、武汉大学、东北师范大学等机构纷纷开展各种全固态锂电池研究。
目前，已经实现商业化的大容量固态电池主要还是聚合物固态电池，就是聚环氧乙烷基固态电解质，加拿大魁北克水电研究所报道的数据显示，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，1/3C下循环1000多次，工作温度在60到85度，电池包需要有加热保温功能。技术来源于加拿大魁北克水电研究所的法国Autolib的电动汽车“Bluecar”配备了其子公司Batscap生产的30kwh金属锂聚合物电池(LMP)采用Li-PEO-LFP材料体系，加速进入6.3秒，最高时速可以达到130km/h，而续航里程高达200km，足够这款车在两个城市间往返行驶。Bluecar于2011年10月正式进入法国汽车租赁市场，在巴黎以及法国40个城市租赁到这款小车。该车在巴黎整车被曾酒鬼点燃后，但电池完好无损，其安全性可见一斑。
固态电池是否是未来新能源汽车动力电池的必然选择，还是暂时的升级换代，在全球范围来看这还需要时间来进行论证，而在我国作为技术人员从目前的数据来分析，至少还需要2年的时间固态电池才可能真正的量产并替代现有的液态锂离子电池。
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