鉅大LARGE | 點擊量：1251次 | 2022年11月17日
新能源汽車真正的技術革命——固態電池
一、現狀與變革
雖然目前在客車領域磷酸鐵鋰電池享有絕對優勢，錳酸鋰電池是插電式混合動力客車市場的佼佼者，鈦酸鋰電池則更傾向于純電動快充類客車，三元電池在純電動乘用車市場占據主導地位，鎳氫電池是混合動力乘用車的更多選，但動力電池一直以來都是制約新能源汽車發展的瓶頸所在，而且隨著國家對新能源汽車補貼政策的影響和動力電池自身技術的升級，這些都將逐步成為歷史。
（一）、國家政策
2017年新能源汽車補貼政策對電池能量密度的具體要求為：純電動乘用車動力電池系統的質量能量密度不低于90Wh/kg，對高于120Wh/kg的按1.1倍給予補貼；非快充類純電動客車電池系統能量密度要高于85Wh/kg；專用車裝載動力電池系統質量能量密度不低于90Wh/kg。根據最新流傳的補貼調整討論稿，2018年純電動乘用車要求動力電池系統的質量能量密度不低于105Wh/kg，補貼系數進行重新調檔，電池包能量密度為105~120Wh/kg的按0.5的系數補貼，電池包能量密度為120~140Wh/kg的按1倍的系數補貼，電池包能量密度高于140Wh/kg按1.1倍的系數補貼；新能源客車要求，系統能量密度不低于110Wh/kg，要想獲得1.2倍補貼，系統能量密度需要達到140Wh/kg以上；新能源專用車要求，裝載動力電池系統質量能量密度不低于115Wh/kg。
（二）、技術升級
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%
目前商用的鋰離子電池，主要問題在于使用液態/膠狀電解質，電化學窗口有限，難以兼容金屬鋰負極和新研發的高電勢正極材料，從而使能量密度上升存在瓶頸。如果不能進行技術的升級，目前的許多新能源車企將求補無望。其次在安全層面，現在所采用的這些鋰離子電池這樣的架構還會造成短路引燃、離子濃度差增大電池內阻、電極材料持續消耗等問題。因此在各種新聞上我們看到有關電池技術突破或革命層出不窮，可更多的卻還是停留在實驗室階段，譬如所謂的石墨烯電池，短期內批量生產、商用化無望，但從科研院所到生產企業在尋找動力電池新技術的腳步并未停下，2017年的幾則新聞讓大家開始關注固態電池。一則是中國工程院院士陳立泉在談到電池的未來發展時表示“如果能量密度進一步提高，大于500Wh/kg的話，從現在開始就要考慮固態鋰電池，以及鋰空氣電池、鋰硫電池等新的電化學體系探索研究。”第二則是，日本企業巨頭日立公司研究人員宣布其固態電池技術已經研發完成，新一代電池可以抵御外太空極端溫度，并且已經將這種電池送到了航天部門和企業進行使用實踐，聲稱要在三年后的2020年量產上市。第三則是，豐田正在研發由全固態電池提供動力的電動車。該動力電池將大大提升電動車的續航里程，并縮短充電時間。根據豐田的計劃，這款電動車將于2022年上市銷售。第四則是電動汽車制造商菲斯克公司今年申請了一項固態電池的專利，此項專利將可以實現1分鐘充滿電。同時，該公司將于2018年推出此項固態電池新技術。第一則是我國的動力電池龍頭企業寧德時代也已做出表率，在聚合物和硫化物基固態電池方向分別開展了相關的研發工作并取得了初步進展，并在規模化生產上提出了初步的工藝路線。所以有專家分析認為：固態電池已經舉起了“革命大旗”，未來鋰電池整個產業鏈將會發生顛覆性變化。
二、固態電池優缺點
與傳統液態鋰電池相比，固態電池具有能量密度高、安全性好、循環能力強（使用壽命長）和適用范圍廣等優點，界面阻抗過大和成本相對較高等缺點。
（一）、能量密度高。
液體電解質電池能量密度最高可至300Wh/kg，但是超過500瓦時每公斤被認為是不可能的。全固態電解質后，電池可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以大大減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。固態電池研發可提供的能量密度基本可達300-400Wh/kg。
（二）、安全性好。
液態電解質易燃易爆，以及在充電過程中鋰枝晶的生長容易刺破隔膜，引起電池短路，造成安全隱患。而固態電解質可以抑制鋰枝晶、不易燃燒、不易爆破、無電解液走漏、不會在高溫下發生副反應等，也就是說在大電流下工作不會因出現鋰枝晶而刺破隔膜導致短路，不會在高溫下發生副反應，不會因產生氣體而發生燃燒，因此，安全性被認為是固態電池發展的最根本驅動力之一。
（三）、循環性能強。
固態電解質解決了液態電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜的問題和鋰枝晶現象，大大提升了鋰電池的循環性和使用壽命，理想情況下循環性能表現優異，能夠達到45000次左右。
（四）、適用范圍擴大。
固態電解質賦予固態鋰電池結構緊湊、規模可調、設計彈性大等特點，即可應用于驅動微型電子器件，也可用于動力和儲能領域。此外，固態電池也擁有更寬的溫度工作范圍，目前基本保證-25℃—60℃的溫度范圍。
（五）、界面阻抗過大。
固態電解質與電極材料之間的界面是固--固狀態，因此電極與電解質之間的有效接觸較弱，離子在固體物質中傳輸動力學低。
（六）、成本相對較高。
據了解，液態鋰電池的成本大約在200-300美元/KWh，如果使用現有技術制造足以為智能手機供電的固態電池，其成本會達到1.5萬美元，而足以為汽車供電的固態電池成本更是達到令人咋舌的9000萬美元。
固態電解質電導率總體偏低導致了其倍率性能整體偏低，內阻較大，充電速度慢，且成本總體偏高，現在的固態電池如果要和普通鋰離子電池在傳統市場上競爭，并沒有太大的優勢。因此，發揮固態電池本身高安全性、高溫穩定性、可能達到的柔性等其它多功能特性，與傳統鋰離子電池在差異化的市場中進行競爭，可能是固態電池近期內比較有希望的市場突破方向。
三、固態電池的類別與目前的發展情況
固態電池從電解質形態上分成三類，一個是純聚合物，比如聚環氧乙烷；一個是無機固體電解質的氧化物或者硫化物；第三個是把聚合物和無機物復合在一起。這三種固體電解質最難解決的問題在于：在鋰離子電池或者是將來的金屬鋰電池中，正極反復體積膨脹收縮后，與固體電解質相的接觸會逐漸變差。對于固態電池來說，就是在循環過程中如何一直保持較低的電子和離子阻抗。如果沒有更好的辦法，這三類電解質中也可以添加少量液體來解決循環過程中電接觸惡化的問題，這一類電解質可以稱為混合固液電解質，也就是說電芯中同時含有固體電解質和液體電解質。
在固體電解質材料方面，國際上已經開發了很多類，主要包括氧化物、硫化物、氫化物、鹵素、磷酸鹽薄膜和聚合物。現在主流的電解質材料有三種：首先是氧化物固體電解質，采用無機陶瓷電解質來替代液體電解質，主要是解決正極側的填充接觸問題，可能需要非常復雜的表面包覆技術。對于硫化物電解質，其離子電導率非常高，也需要解決正極側電阻變大的問題，同時解決制備、儲存、服役過程中化學穩定性差和產生硫化氫的問題。對于薄膜電解質，離子電導率雖然很低，但是通過薄膜化降低面電阻，也可以制備使用器件。但是做成大面積疊層的大容量電池還是很有挑戰。
總體來說，全固態電池的研發核心一在于電解質材料本身，二在于界面性能的調控與優化。許多研究分析，固態電池會成為動力電池未來的技術路線。相對而言，技術成熟度較高、技術沉淀較深的當屬法國的Autolib、美國Sakti3和日本豐田。這三家也分別代表了以聚合物、氧化物和硫化物三大固態電解質的典型技術開發方向。我國2013年中科院設立了全固態鋰電池先導計劃，目前中科院寧波材料所、中科院上海硅酸鹽所、青能所、天津十八所、清華大學、中科大、復旦大學、特種科大、武漢大學、東北師范大學等機構紛紛開展各種全固態鋰電池研究。
目前，已經實現商業化的大容量固態電池主要還是聚合物固態電池，就是聚環氧乙烷基固態電解質，加拿大魁北克水電研究所報道的數據顯示，可以使用46微米厚的金屬鋰，30微米厚聚合物電解質以及30微米厚的磷酸鐵鋰正極，1/3C下循環1000多次，工作溫度在60到85度，電池包需要有加熱保溫功能。技術來源于加拿大魁北克水電研究所的法國Autolib的電動汽車“Bluecar”配備了其子公司Batscap生產的30kwh金屬鋰聚合物電池(LMP)采用Li-PEO-LFP材料體系，加速進入6.3秒，最高時速可以達到130km/h，而續航里程高達200km，足夠這款車在兩個城市間往返行駛。Bluecar于2011年10月正式進入法國汽車租賃市場，在巴黎以及法國40個城市租賃到這款小車。該車在巴黎整車被曾酒鬼點燃后，但電池完好無損，其安全性可見一斑。
固態電池是否是未來新能源汽車動力電池的必然選擇，還是暫時的升級換代，在全球范圍來看這還需要時間來進行論證，而在我國作為技術人員從目前的數據來分析，至少還需要2年的時間固態電池才可能真正的量產并替代現有的液態鋰離子電池。
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