綜合技術、成本和商業(yè)化等因素,固態(tài)電池被推上風口,成為下一代電池的主要研發(fā)方向。眾所周知,相比傳統(tǒng)鋰電池固態(tài)電池的差異在于電解質固態(tài)化,固態(tài)電池具有能量密度高、安全性好等優(yōu)勢。

    傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池被科學家們稱為“搖椅式電池”,搖椅的兩端為電池的正負兩級,中間為液態(tài)電解質,鋰離子在搖椅的兩端來回奔跑,在從正極到負極再到正極的過程中,電池完成充放電過程。固態(tài)電池的原理與之相同,不過電解質為固態(tài)。


    固態(tài)電池有哪些優(yōu)缺點


    安全性高,不同于液態(tài)電解質,電池發(fā)生刺穿或擠壓事故后易被點燃而發(fā)生爆炸。固態(tài)電解質具備不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液等問題。


    能量密度高,固態(tài)電池的電解質可以裝更多的高電壓正極材料,加上固態(tài)電池體積小、穩(wěn)定,可以讓電池管理更為簡化,能量密度自然會大大提高。


    輕,在傳統(tǒng)鋰離子電池中,隔膜和電解液加起來占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質量,而使用固態(tài)電解質自然就可以減小體積和質量。


    循環(huán)性強,由于固態(tài)電解質解決了液態(tài)電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜的問題和鋰枝晶現(xiàn)象,因此大大提升了鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。


    當然固態(tài)電池并非完美,其也具備界面阻抗大、快充難和成本高等缺點:


    界面阻抗過大,固態(tài)電解質與電極材料之間的界面是固-固狀態(tài),因此電極與電解質之間的有效接觸較弱,離子在固體物質中傳輸動力學低。


    快充比較難,電池的阻抗、電導率等問題表現(xiàn)出來就是內阻大,就會阻礙充電,在充電過程中會造成能量的損失,這部分能量的浪費是無法忽視的問題。


    成本價格高,目前固態(tài)電池制備技術和工藝不夠成熟,成本高是在所難免的。




    固態(tài)電池的未來挑戰(zhàn)還有哪些?


    從理論的提出時間來看,固態(tài)電池并不是一個新的概念,多年來,其研發(fā)上的進展并沒有想象那么快速。雖然固態(tài)電池在多方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢,但同時也有一些需要解決的問題。


    由于固態(tài)電池的電解質材料全是固體,導電過程中是點接觸,所以從電池本身制造的過程上來說,需要解決基于界面阻抗的問題。其次,固態(tài)電池循環(huán)設備在現(xiàn)階段來看做的還不夠好。


    固態(tài)電池正極活性材料、負極活性材料,電解質材料全是固體,接觸的時候是點接觸、不是面接觸,這樣離子導電性本身沒有液體高固態(tài)電解質本身的離子導電性,第二基于點接觸和面接觸的區(qū)別,所以從電池本身制造的過程上來說,需要解決基于界面阻抗的問題。


    固態(tài)電池在充電和放電過程中不單單是固態(tài)的,所有電池在充電和放電有體積膨脹和收縮,原先液態(tài)電池可以有一定忍耐度,在整個收放過程中液體稍微有一點膨脹就消除了,但是如果固態(tài)電池在膨脹和收縮過程中可能會裂,所以會影響使用。所以固態(tài)電池循環(huán)設備做的還不夠好這是一個問題。


    何時迎來商業(yè)化量產?


    當前,固態(tài)電池現(xiàn)在的制備技術成熟度還有待加強,商業(yè)化擴產需要克服的困難還有很多。但可以預期的是,隨著研發(fā)和工業(yè)技術的不斷發(fā)展,全固態(tài)電池中的科學和工藝上的問題會逐漸得到緩解。


    從世界范圍看,預計固態(tài)電池會在2020年左右能夠實現(xiàn)小批量的量產。寶馬聲稱有望于2026年實現(xiàn)固態(tài)電池突破性進展并隨后量產;豐田也正在全力研發(fā)固態(tài)電池,并且已經開發(fā)出電池原型,豐田曾表示,這種電池大約在2020年實現(xiàn)商業(yè)化應用,到2025年得到實質性改善。


 
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