如今，新能源汽車逐漸成為汽車市場(chǎng)的主流，而新能源汽車的動(dòng)力電池也成為許多消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)。固態(tài)電池已經(jīng)成為一種新的和流行的電池類型。

 

什么是固態(tài)電池？

 

1.固態(tài)電池的定義

根據(jù)電解液的分類，鋰電池可分為液體、半固體、準(zhǔn)固體和全固體四類，其中半固體、準(zhǔn)固體和全固態(tài)統(tǒng)稱為固態(tài)電池。由于電解質(zhì)狀態(tài)的不同，固態(tài)電池在結(jié)構(gòu)上與液態(tài)鋰離子電池不同。

 

2.鋰電池的發(fā)展

隨著鋰電池行業(yè)的發(fā)展，動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池領(lǐng)域?qū)︿囯姵氐谋热萘?、首次使用效率、安全性和循環(huán)次數(shù)等核心要求越來(lái)越高。鋰離子動(dòng)力電池的能量密度預(yù)計(jì)在未來(lái)五年內(nèi)將提高到300Wh/kg以上，但依靠現(xiàn)有的三元體系很難實(shí)現(xiàn)電池能量密度高于350Wh/kg的目標(biāo)。固態(tài)電池由于其結(jié)構(gòu)、陰極材料、陽(yáng)極材料和電解質(zhì)材料，在比容量和安全性方面有明顯的提高。

 

液體和固體電池的比較

 

1.安全

液體電池的安全隱患主要是由液體電解質(zhì)引起的。根據(jù)最新消息，電動(dòng)汽車電池引發(fā)的事故主要是自燃和爆燃。自燃的主要誘因是電池組的熱失控。電池在過(guò)充、低溫或高溫環(huán)境中短路，電池在短時(shí)間內(nèi)釋放大量熱量，點(diǎn)燃電池內(nèi)部的液體電解質(zhì)，最終導(dǎo)致電池起火。

固態(tài)電池，另一方面，使用固體電解質(zhì)，其中大部分是不可燃的，解決了電解質(zhì)的可燃性；同時(shí)，固體電解質(zhì)膜致密無(wú)孔，機(jī)械強(qiáng)度高，有效抑制了負(fù)極短路問(wèn)題；它在熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性方面也優(yōu)于電解質(zhì)，大大提高了鋰電池的安全性能。

 

2.能量密度

電池的能量密度直接由陰極和陽(yáng)極材料的理論克容量和電化學(xué)電勢(shì)差決定。根據(jù)固態(tài)電池的最新進(jìn)展，特斯拉4680大圓柱電池的能量密度為283Wh/kg，而根據(jù)CATL固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)，磷酸鐵鋰的能量密度達(dá)到160wh/kg，三元高鎳的能量密度高達(dá)250wh/kg。

2022年10月，美國(guó)國(guó)家航空航天局在其官方網(wǎng)站上介紹，美國(guó)航空航天局目前研發(fā)成功的固態(tài)電池能量密度達(dá)到500Wh/kg，幾乎是三元高鎳的兩倍。

固態(tài)電池的陰極和陽(yáng)極材料可以使用更大的電勢(shì)差，并且由于固體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，可以在制造過(guò)程中擴(kuò)大陰極和陽(yáng)極的容量，以提高電池的整體能量密度。

全固態(tài)電池可以使用鋰金屬作為負(fù)極（鋰金屬的比容量是石墨負(fù)極的近10倍），在相同的正極系統(tǒng)下，有望將能量密度提高50%以上，同時(shí)提高電池的PACK能量密度，降低電池成本。

 

 

固態(tài)電解質(zhì)材料技術(shù)路線

 

在構(gòu)建高性能固態(tài)電解質(zhì)的過(guò)程中需要關(guān)注的核心要求包括。

① 高導(dǎo)電性。

② 化學(xué)穩(wěn)定性好，不與電池內(nèi)部材料發(fā)生反應(yīng)。

③ 鋰離子遷移數(shù)高，離子遷移數(shù)大于1是最理想的狀態(tài)。

④ 機(jī)械性能和韌性，對(duì)于五個(gè)級(jí)別的固體電解質(zhì)，通常會(huì)出現(xiàn)更脆、更脆的現(xiàn)象。

目前，固態(tài)電解質(zhì)有三條主要的技術(shù)路線：聚合物、氧化物和硫化物。三種類型的固體電解質(zhì)的性能參數(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

根據(jù)公開(kāi)信息查詢，2022年10月，美國(guó)國(guó)家航空航天局的硫化物路線產(chǎn)品，能量密度達(dá)到500瓦時(shí)/公斤。2018年，中國(guó)蘇州發(fā)布了基于氧化物路線的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)廣告，固態(tài)電池的能量密度達(dá)到400Wh/kg；2019年12月，Sakti3聲稱開(kāi)發(fā)了一種能量密度超過(guò)1000瓦時(shí)/公斤的固態(tài)電池。

 

 

固態(tài)電池接口

 

固態(tài)電池接口是指：

① 固體電解質(zhì)內(nèi)部的界面

② 復(fù)合正極材料內(nèi)部的界面

③ 固體電解質(zhì)和陰極材料之間的界面

④ 固體電解質(zhì)和負(fù)極材料之間的界面

界面概念在固態(tài)電池中被引入，主要是因?yàn)楣腆w材料的固相界面之間沒(méi)有潤(rùn)濕性，難以進(jìn)行充分的接觸，并形成更高的接觸電阻。此外，循環(huán)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)元素相互擴(kuò)散和空間電荷層形成等現(xiàn)象，影響電池性能。結(jié)晶電解質(zhì)中存在大量晶界，晶界電阻高不利于鋰離子在正負(fù)電極之間的傳輸。

為了提高不同界面（如導(dǎo)電性、空間電荷層等）的性能，需要在固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)、制備工藝和材料選擇方面進(jìn)行專門(mén)的研發(fā)和設(shè)計(jì)。

 

市場(chǎng)需求

2030年全球?qū)虘B(tài)電池的需求預(yù)計(jì)將接近500GWH，市場(chǎng)空間超過(guò)1500億，其中固態(tài)動(dòng)力電池的需求超過(guò)350GWH。

 

 

根據(jù)該研究所的預(yù)測(cè)，2022年至2030年，中國(guó)固態(tài)電池出貨量預(yù)計(jì)將高速增長(zhǎng)，到2030年可能超過(guò)250 GWH，而在成本方面，隨著固態(tài)電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，固態(tài)電池的成本價(jià)格也將繼續(xù)下降，中國(guó)固態(tài)電池的成本價(jià)格預(yù)計(jì)將從2022年的1.9元/Wh降至2030年的0.8元/Wh。2022年三元鋰電池成本價(jià)約為1元/Wh，磷酸鐵鋰電池成本價(jià)格為0.8元/Wh。

目前，與固態(tài)電池相比，液體電池在成本上具有更大的優(yōu)勢(shì)。然而，隨著固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)施，成本將接近液體電池，同時(shí)其高能量密度和高安全性的優(yōu)勢(shì)將突顯出來(lái)。