不自燃、續(xù)航不焦慮的電池離我們還有多遠(yuǎn)？
時(shí)間:2022-04-01 17:49來源:WHYLAB 作者:WHYLAB
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水有三態(tài) —— 液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)，現(xiàn)代硬盤主要有兩類，機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤；或許你有聽說過，其實(shí)電池也有「固態(tài)」的。
固態(tài)硬盤稱之為「固態(tài)」的解釋有多個(gè)版本，但通俗來說，它由固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片矩陣列組成的，相比起以磁性材料為存儲(chǔ)介質(zhì)的機(jī)械硬盤，其形態(tài)更為固定，故成為「固態(tài)硬盤」。
固態(tài)電池是否也是如此呢？
01
電池如何「固態(tài)」？
如今大多數(shù)的蓄電池，特別是鋰離子電池，其電解質(zhì)都是液態(tài)的，可以稱之為「液態(tài)鋰離子電池」—— 而所謂「固態(tài)電池」其實(shí)就是與之相對的一種鋰離子電池技術(shù)。
我們知道，如今成熟的鋰離子電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)包括有正極（陰極）、負(fù)極（陽極）、電解質(zhì)，還有分隔陰陽極（正負(fù)極）的隔膜。
▲ 傳統(tǒng)鋰電池（左）與全固態(tài)電池（右）內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意
而固態(tài)電池，將當(dāng)中原本液態(tài)的電解質(zhì)改為了固態(tài)材料，并去掉了獨(dú)立的隔膜結(jié)構(gòu)。
當(dāng)然，固態(tài)電池的類型也是多種的，以電解質(zhì)來分，有氧化物、硫化物、聚合物等，它們都有不同的優(yōu)勢和劣勢，成本上也各有優(yōu)勢，這方面后面再聊。
02
電池為什么要固態(tài)？
聊到我們今天已司空見慣的「液態(tài)鋰離子電池」，總能找到它的槽點(diǎn) —— 自鋰離子電池面世以來，它的進(jìn)步仍趕不上我們的需求，即使是近幾年電動(dòng)汽車的發(fā)展帶動(dòng)了鋰電池技術(shù)的發(fā)展，今天的手機(jī)還得一天一充、電動(dòng)汽車的續(xù)航仍比不上油車；即使配套的電池管理技術(shù)再怎么完善，電池本身的安全性的進(jìn)步仍有限，仍時(shí)不時(shí)有手機(jī)電池自燃燒傷用戶、電動(dòng)汽車自燃難以撲滅的新聞出現(xiàn)。
現(xiàn)實(shí)中，電池的容量和安全二者常常會(huì)處于博弈的關(guān)系中，例如被廣泛用作動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的磷酸鐵鋰和三元鋰電池，前者能量密度略低、熱穩(wěn)定性高（安全性較強(qiáng)）、不耐低溫、壽命長、成本較低，后者則與之相對，密度較高、熱穩(wěn)定性較差（相對容易熱失控）、耐低溫、壽命較短、成本較高 —— 因此車廠們和電池廠會(huì)依據(jù)自身產(chǎn)品定位的取舍來選擇電池類型。
磷酸鐵鋰和三元鋰電池是如今鋰電池的縮影，而另一方面液態(tài)鋰離子能量密度已經(jīng)貼近技術(shù)天花的 300Wh/kg 左右（實(shí)際密度更是低于這個(gè)值），而下一步摻硅等方法改進(jìn)的傳統(tǒng)鋰電池，只能將理論天花板捅到 400Wh/kg 左右。
▲ 傳統(tǒng)三元鋰電池針刺實(shí)驗(yàn)截圖（極易熱失控）
前面提到的安全問題，可以說是如今「液態(tài)」鋰離子電池的痛 ——在過充、電解質(zhì)活性低等情況下，鋰離子若無法及時(shí)嵌入到石墨負(fù)極時(shí)，會(huì)在負(fù)極表面形成金屬鋰枝晶，一來會(huì)損失鋰離子，降低電池的容量，二來形成的金屬鋰枝晶可能會(huì)有刺穿陰陽極之間的隔膜，造成短路的風(fēng)險(xiǎn)，電池內(nèi)部一旦短路，很有可能引起熱失控，引起自燃。
而固態(tài)電池，理論上能解決液態(tài)鋰電池的這兩個(gè)問題。
▲ 三元鋰固態(tài)電池針刺實(shí)驗(yàn)截圖（不易產(chǎn)生熱失控）
首先固態(tài)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，普通電池液態(tài)的有機(jī)電解液含有易燃的溶劑，固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)則不需要，直接去掉了易燃的隱患，陰陽極之間就不需要額外的隔膜結(jié)構(gòu)，即使電池遭到破壞，也不易發(fā)生自燃 —— 將鋰電池的安全性提升到另一個(gè)次元。
而容量方面，得益于固態(tài)電池穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其能量密度能突破普通鋰離子電池 300Wh/kg~400Wh/kg 的天花板限制 —— 都說如今的鋰離子電池能量密度的天花板實(shí)際是安全性與堆料性能不斷博弈的結(jié)果 —— 例如三元鋰電池的正極（陰極）材料，就是利用了鎳的比能量高特性，才提升了鋰電池的能量密度，但鎳的含量高了，電池就越不穩(wěn)定 —— 如果安全問題「解決」了，那么即使材料不變，鎳的含量可以進(jìn)一步提升，而其它起穩(wěn)定作用的元素則可以降低（如「鈷」），這樣的電池密度就再進(jìn)一步提升。
（摘自：許曉雄的《全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望》）
以上兩點(diǎn)對于電池動(dòng)力的汽車而言，都是利好的痛點(diǎn)改進(jìn) —— 一來提升電動(dòng)汽車的安全性，二來大幅度提升電動(dòng)汽車的續(xù)航能力和充電速度。
▲ 傳統(tǒng)鋰電池組封裝方式（左）與固態(tài)電池組封裝方式（右）
此外，還有重要的一點(diǎn)，就是動(dòng)力電池組的封裝問題，傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池組，一般是先生產(chǎn)出多個(gè)小電芯，再通過并聯(lián) + 串聯(lián)的方式組合成更大電池組的，而電芯之間還需要有冷卻系統(tǒng)的布置，整個(gè)電池組本身的電芯的占比還不夠高；而固態(tài)電池，可以直接串聯(lián)堆疊封裝而無需冷卻系統(tǒng)的布置，這樣一來，相同空間內(nèi)的電池組空間進(jìn)一步壓縮，電芯占比提升，封裝的電池組容量也就再進(jìn)一步提升了。
03
它離我們多遠(yuǎn)？
最近有消息稱保時(shí)捷正研發(fā)的電動(dòng)版 911 跑車將搭載固態(tài)電池，而這款固態(tài)電池將與 QuantumScape 共同合作開發(fā)；寶馬的首款固態(tài)電池車型或許最快于 2025 年上市；日產(chǎn)的首款固態(tài)電池計(jì)劃于 2029 年 3 月前推出。
而蔚來其實(shí)早在去年的 ET7 發(fā)布會(huì)上，就透露其第一款電動(dòng)轎車 ET7 將會(huì)有搭載 150kWh （半）固態(tài)電池的超長續(xù)航電池包版本推出，最近的 ET7 終于開啟交付了，但這一版本卻仍未見蹤影，也沒有報(bào)價(jià)。
不過在最近的中國電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇上，這款電池的供應(yīng)商「衛(wèi)藍(lán)新能源」透露，用于這款車型的（半）固態(tài)電池將會(huì)在今年底、明年上半年正式量產(chǎn)交付，其能量密度可以來到 360Wh/kg 的水平，能換來 1000 公里的超長續(xù)航里程 —— 除了蔚來，衛(wèi)藍(lán)新能源近期還獲得小米（小米長江產(chǎn)業(yè)基金）、華為（哈勃投資）等企業(yè)的進(jìn)一步投資；而 SK、寧德時(shí)代、贛鋒鋰電等電池廠也開始加速固態(tài)電池的布局，可見已經(jīng)有不少科技公司瞄準(zhǔn)了固態(tài)電池的發(fā)展。
▲ 衛(wèi)藍(lán)新能源 30Ah 固態(tài)電池電芯樣品
但值得注意的是，包括衛(wèi)藍(lán)新能源在內(nèi)，近期即將量產(chǎn)的固態(tài)電池實(shí)際上只是混合固態(tài)電池（根據(jù)液體含量不同俗稱半固態(tài)電池、準(zhǔn)固態(tài)電池等），要實(shí)現(xiàn)真正的無液全固態(tài)電池，還需要一段時(shí)間來解決擺在面前的各種問題。
做全固態(tài)電池為什么那么難，這就不得不說到固態(tài)電解質(zhì)對比起液態(tài)電解質(zhì)的缺點(diǎn)了 —— 首先是鋰離子的通過率較低，它決定了電池內(nèi)部陰陽極之間鋰離子的通暢性，前面提到的氧化物、硫化物、聚合物三種電解質(zhì)類型里，數(shù)硫化物類電解質(zhì)的通過率最高，但它的穩(wěn)定性較弱，且成本較高；第二個(gè)問題出在固態(tài)材料的接觸程度遠(yuǎn)低于液態(tài)材料，接觸面積小了，界面阻抗也就越高，鋰離子的通暢性再度受阻 —— 這都限制了材料能量的釋放。
而現(xiàn)階段的混合固態(tài)電池，是從液態(tài)到固態(tài)邁進(jìn)的一種折衷技術(shù)路線，內(nèi)部因含有液態(tài)電解質(zhì)，這類混合固態(tài)電池其實(shí)還是會(huì)有隔膜的存在，不過安全性和能量密度理論上已經(jīng)比普通液態(tài)電池高了。
中科院院士歐陽明高表示，2025年是液態(tài)電池向固態(tài)電池過渡的關(guān)鍵期；但實(shí)際上，全固態(tài)電池還需要新材料的研發(fā)、設(shè)計(jì)的革新、技術(shù)的成熟等方面跟上，要想真正實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的量產(chǎn)，或許我們還有很長的路要走。
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電池
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