固态电池有哪些显著优势?

2019-12-05      1379 次浏览

日前,一条充电1分钟,续驶800公里的消息吸引了业界的眼球,把人们的视线聚焦到了固态电池上。虽然这条由菲斯克公司所披露的消息仍然有很多值得商榷之处,但至少说明固态电池优势显著,有望成为新能源汽车动力电池发展新的方向。


目前新能源汽车大多使用的都是传统的锂离子电池,都含有液态有机电解质,不含液态电解质的固态电池优势很多。中南大学化学化工学院教授刘洪涛在接受《中国汽车报》记者采访时介绍,相较于目前使用的液态锂电池,固态电池具有六大显著优势。


一是高安全性能,传统锂离子电池采用有机液体电解液,在过度充电、内部短路等异常的情况下,电池容易发热,造成电解液气胀、自燃甚至爆炸,存在严重的安全隐患。而很多无机固态电解质材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,聚合物固体电解质相比于含有可燃溶剂的液态电解液,电池安全性也大幅提高。


二是高能量密度,固态锂电池负极可采用金属锂,电池能量密度有望达到300~400Wh/kg甚至更高,其电化学稳定窗口可达5V以上,可匹配高电压电极材料,进一步提升质量能量密度;没有液态电解质和隔膜,减轻电池重量,压缩电池内部空间,提高体积能量密度;安全性提高,电池外壳及冷却系统模块得到简化,提高系统能量密度。


三是循环寿命长,有望避免液态电解质在充放电过程中持续形成和生长SEI膜的问题和锂枝晶刺穿隔膜问题,大大提升金属锂电池的循环性和使用寿命。


四是工作温度范围宽,固态锂电池针刺和高温稳定性极好,如全部采用无机固体电解质,最高操作温度有望达到300℃,从而避免正负极材料在高温下与电解液反应可能导致的热失控。


五是生产效率提高,无需封装液体,支持串行叠加排列和双极机构,可减少电池组中无效空间,提高生产效率。


六是具备柔性优势,全固态锂电池可以制备成薄膜电池和柔性电池,相对于柔性液态电解质锂电池,封装更为容易、安全,未来可应用于智能穿戴和可植入式医疗设备等。


理论上具有优势,就一定能吸引更多的研发力量和投入,不断解决其中存在的问题,这对于固态电池向新能源汽车应用靠近是有利的;但是固态电池在技术上仍有一些有待解决的问题,这也是固态电池实现应用的瓶颈。吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室教授、博士生导师袁宏明在接受《中国汽车报》记者采访时表示,解决固态电池的应用技术问题是当务之急。如固体电解质材料离子电导率偏低;固体电解质、电极间界面阻抗大,界面相容性较差;材料在充放电过程中体积膨胀和收缩,导致界面容易分离;质量能量密度需进一步提升;体积能量密度需进一步提升、制备成本高等技术问题,都迫切需要研究突破。


记者在采访中了解到,目前全球各大车企和电池厂商们使用的聚合物、氧化物、硫化物等固态电解质均存在这样的问题。具体来说,聚合物耐温性不够,稳定性较差、离子电导性偏低。氧化物抗阻能力比较强,但离子电导性也无法达到要求。硫化物虽然电导性不错,又由于材料稳定性不佳,导致离子传输性能欠缺。


事实上,往往一种全新研发的材料从实验室走向市场应用层面,一般需要十年左右的时间。而液态锂电池从上世纪70年代出现,直到20世纪末才投入应用。因此,固态电池技术要实现产业化尚需时日。


从固态电池的研发和量产现状来看,聚合物基的固态电池已经有小批量装车示范,但属于实验阶段,有待解决的技术问题还不少。乐观估计,严格按照车厂车型的开发流程,半固态电池实现批量上车预计还需要一定时间,真正的全固态电池批量装车时间则还可能延后。傅正文表示。


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