固态电池,未来看你?

Auto Magazine - - 脑洞特区KNOWLEDGE - Text :李尔欣

眼见电动车的普及大业已被能量密度还有待进一步开发的锂电池所拖累,近年一再成为热点的固态电池,会是那位解开枷锁的救世主么?

其实,如今汽车圈正努力研发的固态电池,无论是使用固态聚合物电解质的成熟产品,还是采用氧化物或硫化物固态电解质的试制品,以及应用固体电解质与金属锂负极的实验品,全都属于锂电池。所以,在汽车领域,固态电池并不会取代锂电池,但它可能作为新型锂电池继续为电动车提供能量。

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业界之所以加速推进固态动力锂电池的产业化,是因为使用液态电解质锂离子电池即将变成发展电动车事业的绊脚石。一方面,这些液态锂离子动力电池普遍存在电解液氧化、电极膨胀、高温失控等安全隐患,以至于不得不牺牲能量密度以换取相对较长稳定工作期限。这就导致目前大多数以石墨为负极材料的液态锂离子动力电池的能量/重量比最多只能达到280Wh/kg左右。虽然可以通过换用硅基合金制成的负极,使能量密度的上限提升至350Wh/kg 左右,但这会极大影响到电池的安全性。

可与此同时,包括中国在内的多个国家都已经给动力电池定下中长期战略规划目标。比如我国就在《中国制造2025》中明确规定:2020年,电池能量密度要达到 300Wh/kg ;2025年,电池能量密度达到400Wh/kg ;2030 年,电池能量密度达到 500Wh/ kg。如此高的目标,明显已超出液态锂离子电池的极限,是故最理想的解决方案自然是改用能量密度起码比液态锂离子电池高2倍的全固态锂金属电池。

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问题在于,使用固态电池虽可获得更高的安全性和能量密度,甚至能够制造出固态柔性薄膜电池,进 而极大地拓展电池的应用领域。但若要用于量产电动车,现有的固态锂电池却有几大短板亟待解决。

首先,固态电解质在室温下的离子导电率并没有比液态电解质好多少,以固态聚合物电解质为例,其工作温度高达60 ~ 80℃,因此在实际应用时,这类固态电池不仅在常温下难以实现快速充电,更需要在启动汽车前先消耗本身的储能为自己预热。这意味着,相比使用液态电解质的锂离子电池,固态电池在续航与充电性能上未必具有绝对优势;也就是说,这会儿电动车大可不必换装固态电池。

其次,由于电解质与电极同为固态物质或者固体,所以不能很好的兼容,以至于二者之间的界面阻抗也很大,而这又会影响到快充的效果。同时,接触不良的界面还会破坏电解质与电极之间的稳定关系,进而埋下安全隐患。

此外,真实环境中的未知因素,又会引发实验室里难以预料的问题。而这些都还只是尚未完善之固态电池自身的不足之处。若想进一步实现固态动力电池的产业化,那生产商还得解决现阶段固态电池成本偏高、生产工艺不成熟等问题。顺便一提,为使固态电池里的固体电极与固体电解质稳定地结合在一起,工程师还需重新试验多种材料,方能找到属性最匹配的组合。因此并不能照搬液态锂离子电池的制造经验。

所以,尽管很早以前,发现电磁感应定律的法拉第就已经知道可以用硫化银来当固体电解质,但有关固态电池的研发仍要等到20 世纪 50年代才算真正起步,而固态锂离子电池更迟至2013年才出现,至于用于电动车的固态动力电池,目前最多也只到小批量试产阶段,大多数都尚未走出实验室。

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诚然,已有不止一家汽车行业的相关制造商宣称会在 2020 年至 2030年之间,推出可用于量产车的固态锂离子电池,甚至全固态锂电池,但事实上,电池行业内部对此却是持保留意见的,更有人直言:“单纯的氧化物基固态电池眼下还处于非常早期的研究阶段。”不仅如此,汽车厂商也没有完全把宝押在固态电池身上,仍在进化、完善的燃料电池便是最好的证据。只不过从目前来看,固态电池成为下一代主流动力电池的可能性极大,站在战略布局的角度,从科研单位到相关制造商乃至供应商,都必须尽早入局,以便将来在市场上竞争时,能掌握话语权和生产资源。仅此而已。

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