快充+高续航 新能源汽车中的固态电池为何迟迟不落地?
汽配汽修
2021-12-10 10:16
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传统液态锂电池不会是动力电池的技术终点,固态电池是后锂电时代的必经之路早已是行业共识。我们所期待的动力电池技术革命,似乎马上就要来了。不过,目前来看,最“靠谱的”固态电池也依旧充满了技术挑战。


本文就聊一聊比传统液态锂电池更好的固态电池为何迟迟没能落地?


01

什么是固态电池




所谓的固态电池从字面上便可很好的理解,固态电池就是将液态的电解液变为固态,且固态电池大多数时候指的是固态锂电池。


我们都知道传统锂电池,是由正极、隔膜、负极,再灌上电解液制造而成,而固态锂电池,简单来说就是电池里面没有气体、液体,所有材料都以固态形式存在,用固态电解质代替隔膜和电解液。目前来说,主流的固态电解质分为聚合物、氧化物、硫化物。


02

固态电池的优势


首先,固态电池一定程度上解决了电池的续航能力,目前量产电动车使用的动力电池中能量密度最高是特斯拉使用的21700 NCA三元锂电池,电芯的能量密度高达260Wh/kg,它的镍钴铝比例为8:1.5:0.5,属于"高镍电池"。


而业内普遍认为三元锂电池的能量密度能够达到300Wh/kg就到头了,其最高电池能量密度可达400Wh/kg。固态电池可提供的能量密度可以达到传统锂电池两倍左右。同时电池设计自由度增加,相同容量下电池变得更加轻巧,毕竟电池的续航能力就是新能源车的命。

反观现在新能源车型采用的三元锂电池以及目前比亚迪带来的磷酸铁锂刀片电池,前者拥有更强的能量密度,但其安全性以及寿命都要比刀片电池低一些。不过,刀片电池目前量产能达到的能量密度也仅为140Wh/kg,体积能量密度达到230Wh/L。


并且,固态电池的物理性质优势也是十分明显。首先便是重量问题,可以直接使用金属锂做负极,从而减轻负极材料的用料。并且在封装、冷却系统、缩小空间等方式均能减少电池重量,而且固态电池在理想状态下,充电循环次数可达45000次左右。

值得注意的是,固态电池采用的固态电解质,具有不可燃、不挥发、不腐蚀也不存在漏液的问题,在高温下固态电池也不会发生起火,所以传统锂电池面临的各种安全问题,它在一定程度上可以说是成功的规避了。


同时,对于目前电动车普遍存在的充电时间以及充电效率,固态电池似乎同样能够解决,目前搭载三元锂电池的首要代表车型特斯拉,可以说充电速度是比较快的,按照Model 3为例,实测快充时间为0.65小时。


但相对固态电池充电仅需十分钟左右,就可比肩目前市面多数充至80%电量的车型,而这也是新能源车型重要的转折点。


综合来看,可以确定的是,虽然在工作原理上固态电池与传统的锂电池并无区别。但是仔细来看,固态电池拥有的诸多优点,在一定程度上解决了目前三元锂电池、磷酸铁锂这些主流电池的一些技术瓶颈,同时为下一代锂电技术提供了强有力的技术依托。


但是,虽然固态电池在现在车企眼中跟“宝贝儿”一样存在,同样它存在一些技术性的难点,也让它这么长时间也没能成功落地。


03

固态电池技术性难点


目前,技术层面上全固态电池还需要解决三个难题:第一便是离子导电率:(电导率是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数。


电池中,电解质的功能在于电池充放电过程中为锂离子在正负极之间搭建传输通道以实现电池内部电流的导通,决定锂离子运输顺畅情况的指标被称为离子电导率。)



上文也提及了固态电解质的三种分类体系,但综合而言无论哪一种聚合物体系,其中的离子导电率要远低于液态电解质,而两者的最大区别就是一个液体导电另一个是固态导电,所以锂离子的通过率一定程度决定了正负极相互运输的通畅性。


第二点便是固态电解质与正负极之间是以固体对固体的接触,接触面积小,紧密型要差很多。而目前现阶段大部分的产品仍需加入液态电解液用来缓解界面的阻抗作用,并且在一定程度上增加电导率。



第三点是成本问题。因为生产固态电池的技术难度很高,所以生产效率很低,导致成本高居不下,大概是三元锂电池的几十倍,导致无法大规模应用。


第四点便是生产难度方面,首先要考虑的便是正负极和固态电解质密合的难度,从生产的工艺上面,固态电池规模化生产需要考虑生产技术、生产设备、生产环境等多方面因素,而对于生产设备的精度有着更高的要求。


目前固态电池并没有实现大面积的生产以及应用,一切都只是最初的试验阶段,没有实行大规模的商业化,固态电池可以说它的优点一箩筐,但最大短板价格以及本质的技术难点尚未得到解决。


但是对于这个全新的产品来说,外有丰田汽车、LG化学、三星SDI,内有宁德时代、国轩高科、蜂巢等锂电企业在参与固态电池的研究,其打破难点也只是时间的事情。


来源:新能源汽车技术中心