突破1000公里續航！固態電池是騙局還是黑科技？
技術 發布于：2019-07-04 21:15:03
進入2019年，新能源車的補貼門檻可謂是越來越高了，這也催生出了一波長續航電動車，像幾何A、Aion S這類新推出的電動車續航里程已經提升到了500公里，電池的潛能正不斷得到提升。
那么電池的潛能還能提升多少，電池的天花板在哪，電池技術還會革新嘛，一系列的問題用一句話或許可以回答，“三元鋰電池是現在，固態電池是未來”。
目前車用動力電池中，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池是主流，前者安全性更高而后者則性能更優異，基于不同側重磷酸鐵鋰電池目前主要用在大巴這類商用車上，三元鋰電池則主要用在乘用車上。
三元鋰電池是一種以鎳鈷元素作為正極材料，以錳鹽或鋁鹽來穩定化學架構的鋰電池，主要有NCM（鎳鈷錳）和NCA（鎳鈷鋁）兩種。
它的電池電壓高，能量密度基本為240Wh/kg，在相同電池重量下，三元鋰的能量密度是磷酸鐵鋰材料能量密度的1.7倍。
不過不同“配比”的三元鋰電池它的能量密度也會有差異（鎳、鈷、錳/鋁三者不同比例）。
在NCM電池中，按照鎳鈷錳三者含量的不同，可分為NCM111、NCM523、NCM622、NCM811（數字代表鎳鈷錳的比例）。
按照目前對電池續航里程的要求，高鎳的NCM811是重點突破方向。因為隨著鎳元素含量的升高，三元正極材料的比容量逐漸升高，電芯的能量密度也會隨之提高。
像特斯拉使用的21700 NCA三元鋰電池電芯的能量密度高達260Wh/kg，是目前的量產電動車里最高的，它的鎳鈷鋁比例為8:1.5:0.5，屬于“高鎳電池”。
但是也可以預見，三元鋰電池的潛能已經逐漸到頭了，300Wh/kg會是它難以逾越的鴻溝。
固態電池前景不錯，但它對于我們來說卻還很陌生。
傳統鋰電池，是由正極、隔膜、負極，再灌上電解液制造而成；固態鋰電池，顧名思義就是由固態電解質代替隔膜和電解液。
這對于電池提升有多大，形象的來說，使用固態電解質的固態電池相比傳統鋰電池，堪比固態硬盤對機械硬盤的性能提升。
1、高能量密度
固態電解質是制造固態電池的關鍵所在，使用全固態電解質后，鋰離子電池的適用材料體系也會發生改變。
其中最關鍵的就是可以不用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以明顯減輕負極材料的用量，金屬鋰具有高達3860 mA·h/g 的理論比容量及3.04 V的超負電極電勢，是高比能電池的理想負極。當三元鋰電池能量密度在300Wh/kg掙扎時，固態電池的能量密度能夠輕松突破400Wh/kg。
也許有人會問，為什么現在的鋰電池不用金屬鋰作負極？
傳統鋰電池如果采用金屬鋰當負極，金屬鋰在反復充放電過程中會出現粉化、枝晶生長等問題，導致其循環性極差；更為致命的是，鋰枝晶生長造成電池短路還會引發嚴重的安全事故。
所以傳統鋰電池采用低容量，不容易讓鋰離子生根發芽的石墨作為負極。
可以想象，如果電解液變成固態電解質，金屬鋰在反復充放電過程中就不具備生長空間，問題完美解決。
要從根本上提升能量密度，除了改變負極材料，正極材料同樣需要改變。
電解質相對于電解液來說電化學窗口會更寬，說人話就是在更廣的電壓范圍內，電解質不會參與化學反應，老老實實讓鋰離子通過。
那就可以選擇容量更大的正極材料，提高比能量；也可以選擇電壓差更高的的正負極材料，都可以達到提升能量密度的目的。
2、安全性更有保障
傳統鋰電池，如果遭到破壞或是隔膜質量不佳、過度充電等原因，會導致正負極直接接觸，短路后能量瞬間釋放，瞬間就會起火。
而固態電解質，不可燃、無腐蝕、不揮發、也不存在漏液問題，傳統鋰電面臨的各種安全問題，固態鋰電都不存在。
就算把固態電池捅個千瘡百孔，它仍然可以工作。
3、可以實現薄膜柔性化
傳統鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據了電池中近40%的體積和25%的質量。而如果把它們用固態電解質取代，正負極之間的距離可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米，這樣電池的厚度就能大大地降低。
這樣一來制備成薄膜電池和柔性電池，未來就可以應用在智能穿戴和可植入式醫療設備中，所以要想實現電池的柔性化和薄膜化，全固態電池技術是必經之路。
4、優點一籮筐
固態電池的優點可以說是一籮筐，首先它的循環壽命會更長，固體電解質可以避免液態電解質在充放電過程中持續形成和生長鋰枝晶刺穿隔膜問題，可以大大提升金屬鋰電池的循環性和使用壽命。
電池回收方面也簡單的多，其本身沒有液體，沒有廢液，處理起來也會更簡單。此外充電速度方面也存在一定優勢。
固態電池的出現可以說有點顛覆，但是需要解決的問題還有不少。
一是電導率偏低問題；二是界面阻抗和穩定性問題。
所謂電導率偏低，即電子通過的效率低；界面阻抗大、界面分離，就是正負極與隔膜的連接處存在電阻大，接觸不良的問題。
解決辦法是找到一種合適的電解質，讓它的結構能達到既讓鋰離子順暢通過，又能解決接觸的問題。
目前有三種主流固態電解質，聚合物、氧化物、硫化物。
1、聚合物電解質
法國的Bolloré公司已經成功開發出聚合物電解質，它的負極采用金屬鋰，而且已經在公交、共享汽車上開始應用。
但缺點也很明顯，使用前需將電池加熱至60°C以上，才能維持固態電池內的導電能力。
2、氧化物電解質
氧化物電解質最大的問題是電導率一般比電解液還要低很多。
這條技術路線代表企業是美國的Sakti3，它的試驗性產品也是采用的金屬鋰負極。
目前這家公司已經被戴森公司收購，可以看出這類電池主要適用于對電容量要求較小，但對安全和逼格要求頗高的消費電子產品。
3、硫化物電解質
硫化物電解質是大多數亞洲企業選擇的路線，也代表了未來固態鋰電的方向。
硫化物的各項參數相當不錯，尤其是電導率較高，接近電解質，而且界面較為穩定。
這條技術路線執行最為徹底，也較為典型的當屬豐田，起步早，專利積累多。
不過豐田做的不是全固態鋰金屬電池，而是固態鋰離子電池，幾個字的差別卻大不相同。
它采用的是石墨類負極、硫化物電解質與高電壓正極的組合的方式，正負極并沒有大幅變動，只是將隔膜和電解液換成電解質。
固態電池可能是未來電池技術的發展方向之一，但也只是之一。因為包括燃料電池、超級電容器、鋁空氣電池、鎂電池理論上都有很大的發展空間，最終要看哪種路線發展更快、更接地氣。
電池要達到商業化需要在規模和成本方面都能達到完美的平衡點，使用的材料不能是高成本且稀有的，并且要有實現大規模應用的可能。
目前液態鋰電池的成本大約在1200~2000元/千瓦時，如果使用現有技術制造足以為智能手機供電的固態電池，其成本會高達6萬元，更別說為汽車供電的固態電池成本了。
固態電池生產打通和建立上下游產業鏈，一方面正負極材料供應商要能量產新材料；另一方面需要設備商同步研發新設備，每一步都可以說是牽一發動全身。
任何新技術、新產品剛出來成本都較高，一旦生產技術成熟、產量上去了，成本自然而然就能下來，這就需要像比亞迪或寧德時代這類巨型企業的巨量投入才有實現的可能了。（圖/文/攝：皆電 周建強）
簡介：鋼鐵直男，花式不解風情
