析技|动力电池巨变已在前夜 固态电池是锂电池发展方向?

动力电池在巨变了,固态电池才是锂电发展方向吗?

这段时间“固态电池”又成了一个热门话题,似乎锂电池能量密度低的问题马上就要解决了,纯电动汽车里程焦虑也将成为过去。那么固态电池究竟是个什么东西,会带来锂电池的革命么?

析技|动力电池巨变已在前夜 固态电池是锂电池发展方向? 

在说固态电池之前先来回顾一下普通电池的结构,它有点像我们日常吃的花卷,先把面擀平了,然后在上面撒上葱花,最后把它卷起来。锂离子电池呢,最下面是一层铜箔,之上是一层石墨,再往上是绝缘层,最上面的是锂离子材料。

其中,铜箔和石墨是负极,锂离子材料是正极。然后把这些东西像做花卷一样卷起来就是电池了,当然其中还有很多细节,比如添加电解质、导电剂、粘合剂等等,这里就不细说了。

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充电池时,锂离子从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。可以把锂离子理解成勤劳的工人,负极是他们的住所,正极是工作的工厂。充电时工人们从工厂回到家里休息;放电时则从家里前往工厂工作。

在锂电池中,参与放电只是锂离子而已,它的质量大概是整个电池的2%,其他的部件都是维持电池结构和功能的,所以锂电池的能量密度低的可怜。其中电解液和隔膜占了总质量的20%左右,而固体电池就是将电解液换成了固体粉末,那么就省去了“隔膜”这个部件,另外固态粉末要比电解液体积要小。所以总体来看,电池能量不变重量减轻,能量密度是有所提升的。

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优点不只是表面看上去的能量密度提升,前面有提到,锂电池的充放电类似于工人在工厂和家之间往返。但有个问题,为了维持正极的结构,在充电时锂离子不能全部移动到负极去,也就是有即使下班了,还要留一部分工人在工厂值班,不然就会出问题。所以现在锂电池的研究方向都集中在正极材料上,如何让更多的工人回家休息,或者增加工厂的面积,可以容纳更多的工人。

比如NCM811电池,这是之前特斯拉用的锂电池型号,“NCM”代表镍、钴、锰三种元素,811是它们之间的比值;再比如宁德时代的NCM532、NCM622这些电池,都是在正极上面做修改,就是为了提升电池的能量密度。

固态电池由于节省了一部分材料以及改变了电解液,所以会省下来一部分空间,如此给正极的设计空间就更大,可以扩建那个工厂了。另外固态电池甚至可以省略正极,在电压的加持下,负极渗透过来形成正极,这样给予正极的设计空间就更大了。

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所以固态电池不仅看起来会提升能量密度,同时它的结构优势给予了电池设计更大的空间,当固体电池技术愈发成熟后,能量密度会随着设计的优化,有更大幅度的跃升。

除了提升能量密度外,固体电池安全性能也有所提升。目前锂电池中的电解液会与正极材料发生缓慢的化学反应,这个过程中释放很少一部分气体,所以锂电池都会设计一个泄气阀。但如果发生意外,像穿刺、变形等情形,气体就会大量产生随后撑破外壳发生爆炸。

固态电池就没这方面的问题,因为固体的电解质不会产生气体,自然爆炸的风险就降低了很多。另外在遇到穿刺、挤压等外力破坏时,固态电池也更加不容易发生短路。

能量密度更高、安全性更强,看起来固态电池无比美好,但离车载电池还是有一定距离。这里有一个问题就是“接触电阻”,接触电阻越大,电池快速充放电时产生的热量也越大,会影响电池的性能。如何减小接触电阻,这就需要电池的突出的极耳和里面的正负极接触面积越大越好。

原先这个极耳是浸润在电解液中的,现在换成了固态电解质,那么接触面积就会小很多,所以面对大功率充放电时,热量会很大。目前我看关于固态电池的一些论文中,很多新技术都是为了减小接触电阻,增加电子流动速度。不过很多都是实验室中的技术,未来何时能够普及就不知道了。

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另外,关于固态电池一些新技术,虽然可以支持大功率充放电,但是对电池寿命有影响,充放电循环次数只有现在电池的一半。所以,固态电池真正投入商业还是有不小挑战。不过,固态电池一定是锂电池的一个发展方向,现在大众、福特、丰田、宁德时代、LG、三星等众多企业都在作相关的研究,相信在市场的驱使下技术很快会得到突破。

写在最后

至于说,今年年内上市的固态电池,我还是有疑问的,毕竟它们没有披露技术细节,不知道只是炒“固态电池”这一概念,还是有真的突破性技术。我认为比较靠谱的突破可能是3、5年后,目前锂电池行业主流的观点也是在2025年将能量密度提升到400Wh/kg,相较现在提升了33%。究竟发展速度有多快,我们还是拭目以待吧。

出处:头条号 @新车新技术

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