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什么是固态电池 到底何时可以量产?

2020-01-09 11:58:47      点击:
什么是固态电池 到底何时可以量产?后起之秀“固态电池”

从1991年索尼公司将含有液态电解质的锂离子电池带入电子设备的应用至今,液态锂电池已经成为目前最为成熟、使用最广泛的技术路线之一。它主要是由正极、负极、隔膜、电解液组成,锂电子通过电解液在电池的正负极来回跑,从而完成充放电的过程。
固态电池的根本原理和液态锂电池相似,但选用固体电解质(锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质)取代了隔膜和电解液。这个差别会带来怎样的差异?


首先是能量密度的提升。
由于能量密度提升主要受材料限制,科学界认为锂离子电池已经接近极限了。2019年宁德时代和比亚迪推出的CTP技术和刀片电池技术都是在组成形态和系统等其他方面做文章。
事实上采用固态电解质本身并不会直接提升电池的能量密度。
液态电解液与正负极材料可以全方位、包裹式接触,接触面积越大电阻值越小。由于接触面不如液体,固态电池为了获得较低的电阻,就需要更多的电解质。
这样一来,电池体积占比一般会高于使用液态电解质的电池,如果其他不改变的话,能量密度反而会低于液态电解质电池。
固态锂电能量密度显著提升的秘诀主要有两:
(1)用锂金属作负极。
目前的锂离子电池的负极,主要是用石墨制造,但石墨负极的容量上限仅为370Ah/g左右。为了增加石墨的容量,会给它加入一些硅,但这又容易引起电池鼓包。
锂金属的容量是石墨的三倍以上。为何现在的锂电池不用锂金属呢?
因为一旦用金属锂当负极,充电时,在锂离子返回负极的过程中容易产生“枝晶”问题。锂离子会在锂金属表面“发芽”,小树枝如果刺破隔膜就容易短路,然后着火。因此科研人员才选用了容量较低,但不容易让锂离子产生“枝晶”问题的石墨作为负极。
如果电解液变成固态电解质,锂离子就失去了长“小树枝”的空间,完美解决了安全问题。
打个比方,正负极这两个大口袋装的锂离子越多,能量密度越大。如果传统锂电池像手提袋,那固态锂电就是个麻布袋。
(2)正极材料的选择变多。
电解质相对于电解液的另一大优势就是,在更广的电压范围内,电解质不会参与化学反应,而是客客气气地让锂离子通过。这样就可以选择容量更大的正极材料或是选择电压差更高的正负极材料,以提升能量密度。
第二个差异是安全性的提升。
传统锂电池如果过充或遭到撞击,抑或是隔膜质量不好,就容易发生短路,继而引起火灾。而固态电解质具有不可燃、不腐蚀、不挥发、不漏液等优势,安全性能大大提升。如果将它应用到电动车上,就能省掉电池包外壳、冷却等系统,可以节约空间、减轻重量,继而提升电动汽车的续航能力。
除此之外它还具有循环次数多、造型丰富、轻薄、柔化性能优、体积小等优点。