鉅大LARGE | 點擊量：1641次 | 2018年11月23日
后“鋰離子”電池替代者——固態(tài)電池
1、固態(tài)電池引起市場廣泛關注
近日，ChargeCCCV（C4V）宣布已研發(fā)出固態(tài)電池原型，其固態(tài)電池容量達到380Wh/kg和700Wh/L，進一步優(yōu)化有望達到400Wh/kg和750Wh/L，公司計劃于2019年第二季度商用。無獨有偶，9月14日，電池技術公司-QuantumScape獲得了大眾投資的1億美元，兩家公司共同成立合資公司，希望在2025年前將固態(tài)電池技術推向市場。通過該項投資，兩家公司成立了合資公司，計劃到2025年前將固態(tài)電池技術推向市場。。根據豐田披露的全固態(tài)電池框架，其計劃于本世紀20年代初實現商業(yè)化。現代、三星風投、美國電池制造商A123等投資了全固態(tài)電池（ASSB）開發(fā)商SolidPower2000萬美金。
我國上市公司贛鋒鋰業(yè)也已完成第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試線項目，送檢的兩只固態(tài)鋰電池放電容量分別為12.99Ah和13.20Ah，25oC時，能量密度分別為244.33Wh/kg和248.09Wh/kg。充電倍率/放電倍率=5C/5C，25oC時，送檢的兩只固態(tài)鋰電池的充電容量分別為12.10Ah和12.23Ah，放電容量分別為10.02Ah和10.22Ah，放電容量分別可達到0.1C倍率下的77.1%和77.4%。送檢的兩只固態(tài)鋰電池循環(huán)1010次后，放電容量保持率分別為90.1%和90.3%。
鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，但隨著能量密度的提高，其安全問題日益突出，研究固態(tài)電池技術也成為解決電動汽車安全性問題路徑之一。國內外車企、電池公司、初創(chuàng)公司均已將固態(tài)電池作為研發(fā)重點之一。
2、固態(tài)電池優(yōu)點
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電池自燃是電動汽車起火事故的重要原因。自燃的原因在于鋰電池的熱失控，而液態(tài)電解液在高溫下容易被點燃，導致電動汽車事故。雖然業(yè)界已經采取優(yōu)化BMS、添加阻燃性等不斷改善電池熱穩(wěn)定性，但是依然無法解決電池自燃問題。
固態(tài)電池是采用固態(tài)電解質的鋰離子電池，全固態(tài)鋰電池結構里沒有氣體和液體，材料均以固態(tài)形式存在，其固態(tài)電解質不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車將大大降低自燃概率。
正極材料容量需要充電至高電壓才能脫出更多的鋰，鈷酸鋰的電解質溶液可以充電到4.45V，三元材料可達到4.35V，而固態(tài)電解質可達到5V，有利于其在高電壓型電極材料中的應用。固態(tài)電解質有利于提升電池系統(tǒng)的能量密度。
高容量與高電壓的特性，讓金屬鋰負極材料的理想材料之一。鋰金屬的克容量為3860mAh/g，約為石墨（372mAh/g）的10倍。同時，金屬鋰即是自然界電化學勢最低的材料，同時其本身就是鋰源，使得正極材料選擇性更多，可以是含鋰或不含鋰的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空氣，對應為鋰硫和鋰空電池，其理論能量密度接近當前電池的10倍。由于固態(tài)電解質將正極與負極材料隔離開，不會發(fā)生鋰枝晶刺破隔膜導致短路的情形。鋰金屬材料將在固態(tài)電池平臺上率先應用。
固態(tài)電池不再需要嵌鋰材料，可以直接用鋰金屬作為負極材料，將減輕負極用量，同時固態(tài)電池不再需要液態(tài)電解液，其重量將進一步減輕并提高能量密度。
3、固態(tài)電池核心：電解質材料
目前固態(tài)電解質的研究主要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。電解質的功能在于為電池鋰離子提供傳輸通道。如果鋰離子導電率低，意味著鋰離子導電率低意味著電解質導鋰能力差。鋰離子不能順利在電池正負極之間運動。傳統(tǒng)液態(tài)電解質比任意固態(tài)電解質類型的離子電導率都要高。
電極的界面處理也是固態(tài)電池目前面臨的一大難題。在固體電解質中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過程中電解質體積的變化容易破壞界面的穩(wěn)定。此外，在固態(tài)鋰電池中，除了電解質和電極之間的界面，電極內部還存在復雜的多級界面，電化學以及形變等因素都會導致接觸失效影響電池性能。
固態(tài)電解質中聚合物電解質屬于有機電解質，氧化物與硫化物屬于無機陶瓷電解質。
聚合物體系屬于有機固態(tài)電解質，鋰離子以鋰鹽的形式“溶于”聚合物基體。目前研究較多的聚合物固體電解質是PEO(聚環(huán)氧乙烷)及其衍生物絡合鋰鹽類聚合物電解質。PEO類聚合物在較高的溫度下也有很好的離子電導率，且加工性能好。但該類電解質在室溫下離子導電率低，同時與金屬鋰負極相容性較差的問題嚴重限制了其發(fā)展。
無機固態(tài)電解質可以分為氧化物體系與硫化物體系，室溫下無機材料的鋰離子電導率在更高，但界面電阻高于聚合物體系。氧化物體系又可以進一步分為薄膜型與非薄膜型?？s短鋰離子流動的傳導距離，可以減少電阻，使電解質變薄可以一定程度上提高離子傳導率。但薄膜化也限制了電池容量的提升。薄膜型產品電導率大于非薄膜型，但是非薄膜型電導率依然高于聚合物電解質。非薄膜型生產成本低，各項指標較為均衡。
從上面可以看到固體電解質中硫化物電解質電導率最高，室溫下與液態(tài)電解質相差無幾，同時也有可能率先實現快充快放。其生產環(huán)境要求苛刻，需要隔絕水和氧氣，防止氧化并遇水產生有害氣體。硫化物在充電過程中體積會發(fā)生變化，惡化了電極與電解質界面接觸，導致較大的界面電阻，較大的體積變化會惡化其與電解質之間的界面。
4、固態(tài)電池發(fā)展趨勢
總體來看固態(tài)電池的發(fā)展，電解質可能遵循從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)的路徑發(fā)展，最后到全固態(tài)。如，本文開始提到的C4V固態(tài)電池原型就是使用了固體電解質來替代80％以上的液體電解質，因此其并不屬于全固態(tài)電池。
根據《中國制造2025》確定的技術目標，鋰電池能量密度要在2020年到300Wh/kg，2025年達到400Wh/kg，2030年達到500Wh/kg。顯然，新能源汽車產業(yè)中長期發(fā)展需要新的技術儲備，全固態(tài)鋰電池則有望成為下一代車用動力電池主導技術路線。
目前，動力電池全球化競爭日益激烈，雖然中國企業(yè)在本輪競爭中占據了市場規(guī)模優(yōu)勢，但歐美、日韓等企業(yè)已經在為下一階段做布局，是潛在的強大競爭者。中國企業(yè)也應該關注固體電池發(fā)展的問題，積極搶占未來發(fā)展的制高點。
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