关于汽车电池,众所周知现在主流的三元锂电池和磷酸铁锂电池,其内部的电解质都是液态,所以属于是液态锂电池,而固态电池的内部则是由无机物或者是有机高分子固体作为电解质,内部是没有液体的,而之所以固态电池技术最有潜力,且材料也是很关键的。接下来就让我们来了解一下固态电池用什么原材料吧!
固态电池正极:可依旧沿用现在的磷酸铁锂、三元锂、锰酸锂等体系;
固态电池负极:石墨负极是最为常见的,固态电池将会以硅系负极材料为主,而锂金属负极短期内实现大规模应用的可能性较小,在能量密度上,石墨<硅系<锂金属;
固态电池隔膜:研究认为通过双层涂覆可替代隔膜,无机固态电解质层涂覆于负极片的双面,有机聚合物层涂覆于无机固态电解质层的表面,目前有观点称硫化物、氧化物全固态电池无需隔膜。而公开的多种固态电池的专利中,也提出了复合隔膜概念,例如无机-有机复合的隔膜。
固态电池电解质:主流的有聚合物、氧化物、硫化物固态电解质,聚合物路线以欧美企业为主;硫化物路线以日韩企业为主,例如丰田、LG、松下等,国内的宁德时代也采用硫化物路线;氧化物路线则以中国企业为主,例如北京卫蓝、江苏清陶、宁波锋锂、台湾辉能等。其中硫化物路线被认为是潜力最大的固态电解质。
从技术路径来说,硫化物、氧化物全固态电池可以不需要隔膜。2020年,发布的专利CN111799513A描述了无隔膜准固态电池的制作方法,无机固态电解质层涂覆于负极片的双面,有机聚合物层涂覆于无机固态电解质层的表面,研究认为通过双层涂覆可替代隔膜。
不过目前还处在准固态电池阶段,隔膜、电解液体系可能会发生技术升级,但不会直接被替代。全固态电池的大规模应用预计要到2030年才能实现。而公开的多种固态电池的专利中,也提出了复合隔膜,例如无机-有机复合的隔膜。
目前主流的技术路径有3种,分别为聚合物、氧化物、硫化物固态电解质。押注聚合物的主要为欧美企业,我国企业主要倾向于氧化物,例如北京卫蓝、江苏清陶、宁波锋锂、台湾辉能等。氧化物路线可最大化的利用现有产线工艺,减轻设备和工艺的革新压力,实现从传统液态锂电池向固态电池过度。如果是准固态电池的话,与传统锂电设备及工艺兼容性可达70%以上。
硫化物是多种技术路径中,被认为潜力最大的,但设备和工艺大幅革新。押注的企业以日韩企业居多,例如丰田、LG、松下等,其实丰田是最激进的,拥有全世界最多的固态电池专利。不过国内的宁德时代也选择了该技术路径。
固态锂电池的本质还是锂电池,因此正极材料不会出现大变化,而负极材料则存在则是硅碳和锂金属负极的竞争,不过行业普遍认为锂金属在中期内大规模应用的概率较小。
传统的液态锂离子电池,主要由正负极、电解液、隔膜等组成,其电解质是液态的,而固态电池取而代之的是固态电解质。
简单来说,全固态电池内部完全没有液体的存在,由无机物或有机高分子固体作为电池的电解质。一般描述时会分为准固态电池、半固态电池、全固态电池。
液态电解质下,在低温环境下黏度会变大,从而影响电池充放电容量,能量密度提高受限,还处在安全隐患。而全固态电池不含液体,在能量密度、充电效率、安全性等方面表现更优,搭载同样重量的电池,固态电池的可以比三元锂电池多跑一倍的路程。被认为是下一代电池技术。
1、能量密度高
电池使用了全固态电解质后,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,这样的话可以有效减轻电池负极材料的用量,整个电池的能量密度也会得到明显提高,如今用作动力电池的三元锂电池,能量密度最高可达180Wh/kg,固态电池则有望达到360Wh/kg。
2、体积小
目前主流的锂电池,需要使用到隔膜和电解液,两者加起来分别占据了电池40%的体积和25%的质量,如果用固态电解质来取代电解液,正负极之间的距离就能够缩短至十几微米,这样的话电池的厚度就会降低,这也就意味着,同等大小的电池仓,选择固态电池的话,容量会更大,续航也就更长。
3、安全性更好
锂电池中的电解液由于是有机液体,在高温下容易发生化学反应,从而出现热失控,并且在大电流工作下,可能会出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致电池短路,而固态电池技术由于内部是固态电池质,所以安全性问题也就得到了解决。
虽然固态电池对比目前的锂电池拥有明显的优势,但是其缺点也很明显,其中最突出的就是制造成本,据了解,现在液态锂电池的成本大约为每千瓦时600-800元,而汽车用的固态电池成本则至少要比液态锂电池高出10倍以上,所以短时间内,固态电池还难以普及推广。
总结:目前固态电池处于研发阶段,在设备和工艺上都需要有大幅度的革新,在实现大规模量产应用前,成本过高也是迈不过去的坎。
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