近日來(lái)，固態(tài)電池成為電池行業(yè)爭(zhēng)論的熱點(diǎn)。源頭是，日前，美國(guó)菲斯科汽車(chē)公司發(fā)布了一項(xiàng)全新的電池技術(shù)——固態(tài)電池，稱(chēng)能夠讓電動(dòng)汽車(chē)用戶的行駛里程增加到500英里(約804公里)以上，充電時(shí)間只需要1分鐘。甚至有觀點(diǎn)稱(chēng)，固態(tài)電池可以“完秒”鋰電池。跨國(guó)車(chē)企在固態(tài)電池領(lǐng)域的腳步越來(lái)越快，這已不是第一次關(guān)于固態(tài)電池研發(fā)成果的新聞了。
固態(tài)電池如今發(fā)展到什么程度?真如外界所說(shuō)的性能如此優(yōu)越?離商業(yè)化還有多遠(yuǎn)?就此，記者采訪了相關(guān)專(zhuān)家了解到，固態(tài)電池有兩個(gè)顯著特點(diǎn)，一是能量密度大約為傳統(tǒng)鋰電池的2.5～3倍;二是更安全，杜絕了電池破裂或高溫等意外帶來(lái)的燃燒隱患。但固態(tài)電池也有兩個(gè)難點(diǎn)，一是電解質(zhì)材料本身的問(wèn)題;二是界面性能的調(diào)控與優(yōu)化問(wèn)題。從目前來(lái)看，其商業(yè)化道路還很漫長(zhǎng)。
國(guó)外固態(tài)電池成果頻現(xiàn)
近日，多個(gè)固態(tài)電池新動(dòng)向吸引了行業(yè)的注意力。據(jù)外媒報(bào)道，菲斯科已經(jīng)申請(qǐng)了固態(tài)電池專(zhuān)利，并預(yù)計(jì)在2023年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。菲斯科聲稱(chēng)，菲斯科的固態(tài)電池采用了三維電極，能量密度是常規(guī)鋰離子電池的2.5倍。
不只菲斯科曝出固態(tài)電池消息，全球多個(gè)企業(yè)和機(jī)構(gòu)也發(fā)布了固態(tài)電池最新進(jìn)展。據(jù)《全球固態(tài)電池市場(chǎng)2017～2021》顯示，目前，豐田、松下、三星、三菱、寶馬、現(xiàn)代、戴森等數(shù)家企業(yè)都在加緊布局固態(tài)電池的儲(chǔ)備研發(fā)。法國(guó)Bolloré、美國(guó)Sakti3和日本豐田分別代表了聚合物、氧化物和硫化物三大固態(tài)電解質(zhì)的技術(shù)開(kāi)發(fā)方向。
有報(bào)告顯示，法國(guó)博洛雷公司已投入2900輛配置了其子公司Batscap生產(chǎn)的30kWh金屬鋰聚合物電池(LMP)的電動(dòng)車(chē);豐田開(kāi)發(fā)出全固態(tài)鋰離子電池，能量密度為400Wh/L，豐田研究人員表示，這種電池大約在2020年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化;松下的最新固態(tài)電池能量密度相對(duì)提高了3～4倍;本田與日立造船建立的機(jī)構(gòu)已研發(fā)出Ah級(jí)電池，預(yù)計(jì)三年后量產(chǎn)。
對(duì)于研發(fā)方式，有些國(guó)外企業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域單獨(dú)研發(fā)，有些則選擇聯(lián)合研發(fā)。比如，大眾汽車(chē)在固態(tài)電池的研發(fā)上相對(duì)較晚，但準(zhǔn)備自己?jiǎn)为?dú)研發(fā)。前不久，豐田宣布與松下合作研發(fā)固態(tài)電池，幾天之后，寶馬宣布與Solid Power公司合作研發(fā)固態(tài)鋰電池。博世與日本著名的GS YUASA(湯淺)電池公司及三菱重工共同建立了新工廠，主攻固態(tài)陽(yáng)極鋰離子電池。
國(guó)內(nèi)加緊研發(fā)固態(tài)電池
在我國(guó)，中國(guó)科學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中科院”)在固態(tài)電池上的布局相對(duì)較早，目前5個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)分別取得了不同的進(jìn)展。如中科院化學(xué)所的郭玉國(guó)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了聚醚-丙烯酸酯的聚合物固體電解質(zhì)，耐受氧化電壓為4.5伏;中科院寧波材料所的許曉雄團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了氧化物、硫化物固體電解質(zhì)材料、陶瓷片、全固態(tài)電池，并與贛峰鋰業(yè)合作嘗試產(chǎn)業(yè)化。目前該團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)已率先研發(fā)出容量為0.2Ah～10Ah的系列固態(tài)單體電池，10Ah固態(tài)單體電池能量密度達(dá)到260Wh/kg，循環(huán)1000圈容量保持率達(dá)88%;中科院青島生物能源所的崔光磊團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了聚丙烯碳酸酯、纖維素、鋰鑭鋯氧復(fù)合的固體電解質(zhì)，研發(fā)的電池能量密度達(dá)到了300Wh/kg，并首次在馬里亞納海溝完成了深海測(cè)試;中科院上海硅酸鹽研究所的郭向欣團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了聚環(huán)氧乙烷、鋰鑭鋯氧復(fù)合的固體電解質(zhì)，并研制了2Ah級(jí)的固態(tài)鋰離子電池;中科院物理研究所提出并驗(yàn)證了原位固態(tài)化的設(shè)想，研制的10Ah軟包電芯能量密度達(dá)到310～390Wh/kg，體積能量密度達(dá)到了800～890Wh/L，該電池可以在室溫90℃下循環(huán)。
此外，國(guó)內(nèi)著名電池企業(yè)寧德時(shí)代也投入到固態(tài)電池的研發(fā)中，目前，寧德時(shí)代的聚合物鋰金屬固態(tài)電池循環(huán)達(dá)到300周以上，容量保持率達(dá)到82%。
商業(yè)化還需克服不少缺點(diǎn)
如今看來(lái)，固態(tài)電池發(fā)展如火如荼，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，又會(huì)呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展態(tài)勢(shì)?一位固態(tài)電池權(quán)威專(zhuān)家告訴記者，固態(tài)電池的發(fā)展主要遵循兩條路線，一是聚合物路線;二是全無(wú)機(jī)陶瓷路線，全無(wú)機(jī)陶瓷路線又可以分成氧化物和硫化物兩個(gè)方向。目前，兩種技術(shù)路線都有難以克服的缺點(diǎn)，還不能大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)用。
陶瓷路線固態(tài)電池最大的問(wèn)題是能量密度相對(duì)較低，類(lèi)似于現(xiàn)有電池中的鈦酸鋰電池，比磷酸鐵鋰、三元材料電池的能量都低，但可以大倍率充放電。能量密度相對(duì)較低使得陶瓷路線的固態(tài)電池與現(xiàn)有電池相比沒(méi)有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。該專(zhuān)家告訴記者，日本在陶瓷路線固態(tài)電池上已布局10多年，具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。日本宣傳報(bào)道中提出的15分鐘可充滿電完全可信。
聚合物固態(tài)電池的能量密度較高，但充電倍率較小。據(jù)介紹，聚合物固態(tài)電池界面之間的內(nèi)阻較大，充滿電需要5個(gè)多小時(shí)。也正是因?yàn)槟芰棵芏却螅斐淇赡軙?huì)帶來(lái)危險(xiǎn)。由于內(nèi)阻較大，聚合物固態(tài)電池在充電過(guò)程中會(huì)造成能量損失，這是無(wú)法忽視的問(wèn)題。另外，聚合物固態(tài)電池最致命的問(wèn)題是充電溫度較高，在常溫下充電倍率較低，這限制了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。不過(guò)，目前我國(guó)大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)瞄準(zhǔn)的是聚合物固態(tài)電池。
從全球固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展來(lái)看，我國(guó)并不落后，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)不相上下。中科院青島生物能源所研究員崔光磊告訴記者，他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的固態(tài)電池成功在馬里亞納海溝進(jìn)行“青能-1”全深海電源應(yīng)用示范，使我國(guó)成為繼日本之后第二個(gè)掌握全海深鋰電源技術(shù)的國(guó)家。
中科院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高前不久也專(zhuān)門(mén)談到固態(tài)電池的發(fā)展，他說(shuō)，美國(guó)專(zhuān)注于有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的大容量固態(tài)鋰電池研發(fā)，以小公司、創(chuàng)業(yè)型公司為主。日本、韓國(guó)均采用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的大容量固態(tài)鋰電池研發(fā)，多家公司出臺(tái)了量產(chǎn)計(jì)劃。中國(guó)、日本和韓國(guó)的情況相類(lèi)似，三個(gè)國(guó)家已經(jīng)有很大的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈，不希望推倒重來(lái)。
總體來(lái)看固態(tài)電池的發(fā)展，電解質(zhì)可能遵循從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)的路徑發(fā)展，最后到全固態(tài)。在負(fù)極方面，從石墨負(fù)極過(guò)渡到硅碳負(fù)極。目前，我國(guó)正在從石墨負(fù)極向硅碳負(fù)極轉(zhuǎn)型，最后有可能轉(zhuǎn)向金屬鋰負(fù)極，但這條路線還存在技術(shù)的不確定性。
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