【干货】采用新能源电池技术的固态电池。

无论是新能源汽车还是储能装置,最重要的关键部件之一就是电池.近年来,电池行业面临的挑战之一是提高能量密度,追求更安全的方式,无论是尝试新的正负极材料;或者增加镍锰钴(NMC)三元电池中镍的比重;一些人还致力于开发不同于传统锂电池的技术,例如使用氢燃料电池的氢能汽车.固态电池被认为是下一代电池技术.

什么是固态电池?

全固态电池是什么样的技术?

一般来说,全固态电池是指没有气体或液体,所有材料都以固体形式存在的电池.

考虑到人们日常生活中最常见的电池是锂离子电池,我们默认将"全固态锂离子电池"作为全固态电池的代表(全固态Li-S等新电池暂不考虑).

一般来说,锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液、结构外壳等组成.电解质使电流能够以离子的形式在电池内部传导.

电解液技术是锂电池的核心技术之一,也是电池行业高利润的组成部分.

其中锂(锂离子)通过内部电路中的电解质传导.

但有些锂电池在长时间使用后会膨胀,有些甚至可能在概率较小的更极端事件下发生危险(比如最近twistcars的电池爆炸事件,就让相关厂商和电池企业遇到了综合困难).

另外,一般来说,目前锂离子电池的工作温度范围有限,在40度以上的高温下使用寿命会急剧缩短,安全性能也会出现很大的问题(所以特斯拉MODELS会有严格的电池温控系统,这也是为什么).

事实上,上述几个安全问题都与电池中使用的有机体系电解质直接相关.

为了解决电池安全问题,提高能量密度,科研和工业都在开发和生产全固态电池,即以固态电解质材料替代传统的锂离子电池隔膜和电解质.

毕竟,与我们生活中最常见的锂离子电池相比,全固态电池的主要优势是什么?

固态电池的优势.

一个优点:薄-小尺寸.

事实上,体积能量密度对于电池来说是一个非常重要的参数.从应用领域来看,要求从高到低依次为消费类电子产品、家用电动汽车、电动公交车.

一般来说,体积能量密度高,所以相同质量的电池可以做得更小.

电子产品的可用空间往往有限,许多产品(如手机和平板电脑)的体积和质量有近三分之一被电池占据.此外,在厂商和消费者对进一步增加容量(增加电池寿命)和压缩体积(便携、美观、易于设计)的要求下,高压、固态体积、最高能量密度的钴酸锂(LCO)电池仍是主流产品.在传统的锂离子电池中,需要使用隔膜和电解液,它们共同占据了电池近40%的体积和25%的质量.

如果用固体电解质(主要是有机和无机陶瓷材料)代替它们,正负极之间的距离(传统上用隔膜电解质填充,但现在用固体电解质填充)可以缩短到只有几到十微米,因此电池的厚度可以大大减小——因此,全固态电池技术是电池小型化和薄膜化的必由之路.

此外,许多通过物理/化学气相沉积(CVD化学气相沉积)制备的全固态电池的总厚度可能只有几十微米,因此它们可以制成非常小的功率器件,并集成到微机电系统(微机电系统)领域.

能够制造出非常小的电池也是全固态电池技术的一大特点,可以方便电池适应各种新型小型智能电子设备的应用,这是传统锂离子电池技术难以实现的.

目前,许多纳米材料实际应用的一个关键障碍在于其比表面积大、体积密度低,这导致如果用这些材料制作产品,在同等质量下往往会占据过多的体积,即体积能量密度低,完全不能满足一般工业产品的要求.

因此,不难理解,为什么在纳米(电池)材料的研究中,我们经常选择不报道这些参数.

优势二:灵活性的前景.

全固态电池可以进一步优化成为柔性电池,从而带来更多的功能和体验.

事实上,即使是脆性陶瓷材料,当厚度小于毫米时,也经常会弯曲,材料会变得柔韧.

相应地,全固态电池的灵活性在变薄后也将得到显着提高.通过使用合适的包装材料(非刚性外壳),制造的电池可以承受数百到数千次弯曲,并确保性能基本不衰减.

事实上,以各种可穿戴设备为代表的柔性电子设备是下一代电子产品发展的重要方向,这就要求这种产品中的元器件也需要具有柔性.因此,柔性全固态电池是科研和工业中一颗有前途的明星.

而且功能性全固态电池的潜力远不止柔性电池,可以做成透明电池,或者拉伸范围高达300%的可拉伸电池,或者可以与光伏器件集成的集成发电储能器件等.-全固态电池在功能上有很多创新的应用前景,研究人员和工程师的想象力会在这方面给我们带来越来越多的惊喜.

优势三:更安全.

作为一种储能装置,实际上所有的电池在热力学上都不可能是绝对安全的.然而,在实际应用中,决定电池真正安全性的因素有很多,包括电池电极材料的特性、电解液的性质以及电子产品中的电池管理系统.

目前,商用锂离子的安全性是大家关注的焦点.用"不理想"来评价当前电池的安全性,应该是比较合适的评价.

优势4:轻-高能量密度.

使用全固体电解质后,锂离子电池的适用材料体系也会发生变化.核心点是金属锂可以直接作为负极替代嵌锂的石墨负极,可以明显降低负极材料的消耗,显着提高整个电池的能量密度.

此外,许多新型高性能电极材料可能与之前已有的电解质体系不兼容,但使用全固态电解质后,这一问题可以得到缓解.

综合考虑以上两个因素,全固态电池的能量密度相比普通锂离子电池可以有很大的提升.现在,许多实验室已经能够小规模试制能量密度为300-400瓦时/千克的全固态电池(普通锂离子电池为100-220瓦时/千克).

从能量密度的数据来看,或许全固态电池真的希望把我们的生活从"一天一充"升级到"两天一充".

固态电池技术路线.

固体电池领域有不同的技术路线.固体电解质大致可分为三类:无机电解质、固体聚合物电解质(SPE)和复合电解质.目前,许多研究者致力于固体聚合物、硫化物、氧化物、薄膜等材料的研究.比如戴森和苹果分别收购的固态电池厂Sakti3和InfinitePowerSolutions,虽然都是以薄膜为主,但制造工艺复杂,大规模生产难度大.此前有报道称戴森和苹果愿意放弃,所以目前的发展情况并不明朗,而丰田、松下、三星、宝马和当代安普瑞斯科技有限公司投资的是硫化物电解液,而惠能和索尼则专注于氧化物.

自2012年以来,苹果积极布局固态电池和充电技术专利,并于2013年收购了无限电源解决方案.近两三年来,汽车工厂布局固态电池的消息浮出水面,比如丰田宣布将在2022年销售搭载固态电池的电动汽车.此外,大众还投资了由《麻省理工科技评论》TR35年轻企业家JagdeepSingh创立的固态电池初创公司QuantumScape.去年6月,大众汽车增加了投资,并赢得了QuantumScape的一名董事.预计2025年建立固态锂电池生产线.然而,过去的电池大国日本在相继放弃锂电池后,将研究重点转向了固态电池,日本科学技术促进机构(JST)和日本新能源产业技术开发机构(NEDO)都积极推广这项技术.这些发展让外界对这项技术产生了关注.

市场关注的固态电池公司名单.

固态电池的技术瓶颈.

目前包括韩国三星、日本丰田、中国当代安普瑞斯科技有限公司在内的众多电池和汽车厂商都加大了固态电池的研发投入,部分电池已经进入装车测试阶段.虽然前景看好,但由于各种技术和工艺问题,固态电池的发展之路绝非一帆风顺.

首先,缺乏高效的电解质材料体系.目前,固态电池材料发展迅速,但缺乏综合应用.

作为固体电池的核心材料,目前固体锂离子导体的单一指标有所突破,但综合性能不能满足大规模储能的需求.如今,用于固态电池的固体电解质普遍存在性能不足的问题,与高性能锂离子电池系统的要求相去甚远.

1.固体电解质与电极的界面处理也是目前固体电池面临的一个主要问题.

在固体电解质中,锂离子的传输阻抗很大,刚性界面与电极的接触面积很小,因此充放电过程中电解质体积的变化容易破坏界面的稳定性.

2.在固态锂电池中,除了电解液和电极之间的界面外,电极内部还有复杂的多级界面,电化学和变形因素会导致接触失效,影响电池性能.

再次,长期使用时稳定性差也是长寿命储能固态电池发展的瓶颈.固态电池的结构和界面在使用过程中会随着时间的推移而退化,但退化影响电池综合性能的机理尚不清楚,难以实现长期应用.

因此,高性能固态电池的构建需要从两个方面入手,一是构建高性能固态电解质,二是提高界面的兼容性和稳定性.

从某种意义上说,汽车的进化历史就是电池的进化过程.在起源上,电动车已有180多年的历史,其出现时间堪比燃油车.然而,无论是铅酸电池还是镍氢电池,都没有在电动汽车的地位上取得突破.直到磷酸铁锂电池和三元锂电池的升级,部分消费者逐渐接受了电动汽车.