锂电池乘势而起 固态电池也来分一杯羹吗?

龙凰2017-08-01 11:17

日前,有媒体从美国媒体Motor1获悉,丰田将推出一款全新电动车,配备目前正在研发的全固态电池,这款固态电池可大幅提升全新电动车的续航里程,并且缩短充电时间。这款新固态电池电动车预计将于2022年正式上市。

无论是出于政策的支持,还是满足环保法规的考虑,抑或是因为资本的青睐,纯电动汽车的普及都已成为未来的必然趋势。主流汽车厂商已经表态,2020年之后纯电动汽车将会成为主流,燃油汽车则逐渐淡出历史舞台。

锂电池乘势而起 固态电池能来分一杯羹吗

当然,即便这一切终将成为事实,但从目前整个汽车行业的发展来看,纯电动要成为主流尚需时日,主要原因无非几方面:成本高、充电难、续航里程和充电时间局限。所以,目前似乎混合动力技术更适合形势。不过,一直主打混动领域的丰田已经计划进军纯电动市场,并计划要靠一块“固态电池”闹一场革命,那么这块固态电池到底有什么魔力呢?今天小编带大家看看吧!

目前无论是数码电子还是汽车行业,锂电池都是最主流的技术之一,然而锂电池始终避不开安全问题,尤其在汽车领域,锂电池的散热问题需要严格的热管理系统加以规避。其次,目前纯电动汽车无法大范围普及,最主要的一个原因是锂电池的能量密度降低,制约了续航里程的提升,再者即便是大量使用了快充技术,锂电池的充电时间也是有瓶颈的,无法彻底达到消费者的期许。

比起锂电池,固态电池似乎有着不可取代的优势

第一,固态电池里没有气体、没有液体,所有材料都以固态形式存在,与锂电池相比稳定性与安全性更好;固态电池本身高安全性、高温稳定性、可能达到的柔性等其它多功能特性;

第二,固态电池的能量密度一般是锂电池的两倍,这直接决定了纯电动汽车的续航里程,如果说目前锂电池的纯电动汽车续航瓶颈只在500公里左右,那么采用了固态电池的纯电动汽车续航焦虑基本能彻底解决;

第三,固态电池体积更小、更轻薄,而且可以根据需求调整电池的形状,如此一来,纯电动汽车的电池布局可以更灵活,也不会过分侵占车内空间,车身重量的问题随之得到解决;

固态电池能量密度更高、安全性更高、不会在高温下发生副反应、同时也不必设计像三元锂电池那么复杂的热管理系统,可以节约成本同时降低重量。一个简单的对比:特斯拉-松下生产的85kWh电池组质量达到了900kg,而固态电池创业公司SeeoInc相同容量的电池组重量只有323kg。

固态电池发展仍需时间

这似乎听起来很美好,甚至会成为纯电动汽车领域的未来之星。但固态电池同样有着绕不开的缺点:

一、固态电解质电导率总体偏低导致了其倍率性能整体偏低,内阻较大,充电速度慢。

二、现阶段固态电池的成本依然高昂,而且生产速度慢,过去几年固态电池受限于容量,更多的只能应用在小型电子产品里。

这也是为什么特斯拉和松下要孜孜不倦的捣鼓三元锂电池,还吸引宁德时代、比亚迪、LG化学和三星SDI这些主流动力电池玩家纷纷加入三元锂电池研发阵列的原因。

总而言之,固态电池的发展还处于早期阶段,上面的数据和特性都带有实验性质,距离商业化还有一段路要走。下面这张图是固态电池和锂电池等近十年来国内专利申请量对比:

锂电池乘势而起 固态电池能来分一杯羹吗

从图中便可看到,固态电池与锂电池之间的差距,虽说如此,固态电池商业化的拦路虎是成本过高,随着资本和技术研发的投入不断加大,成本也会一路下降至可商业化的水平。三元锂电池就是一个例子,2008年,特斯拉电动跑车Roadster搭载的电池组成本高达1200美元/kWh,到2016年,特斯拉电池组成本已经下降至190美元/kWh。

在固态离子学中,固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。固态电池一般功率密度较低,能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高,所以它是电动汽车很理想的电池。

专家预测,2020年固态电池技术研发有望取得突破性进展,在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂离子电池技术。2030年,锂离子电池将不再是电动汽车电池主流,但其在某些电子原件领域仍有一席之地。

“如果能量密度进一步提高,大于500瓦时/公斤的话,从现在开始就要考虑固态锂电池,以及锂空气电池、锂硫电池等新的电化学体系探索研究”,中国工程院院士陈立泉在谈到电池的未来发展时也如此表示。电动汽车产业中长期发展需要进行技术储备,固态电池有望成为我国下一代车用动力电池的重要技术路线。

未来的技术路线为何会是固态电池?

当今占据技术主流的是锂离子电池,但是从长期来看,固态电池或许更能满足人们对高能量和高安全性的现实需求。

工作原理上,固态锂电池和传统的锂电池并无区别。传统的液态锂电池被称为“摇椅式电池”,摇椅的两端为电池的正负两极,中间为液态电解质。锂离子像一个运动员,在摇椅两端来回奔跑,锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池的充放电过程就完成了。而固态电池只不过其电解质为固态,具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。

固态电池有很多优势,发展前景值得期待。其中,两个最明显的优势就是能量密度更高,运行更安全。使用了全固态电解质后,锂离子电池可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以大大减轻负极材料的用量,使得整个电池的能量密度有明显提高。

现在许多实验室中,都已经可以小规模批量试制出能量密度为300-400Wh/kg的全固态电池。固态电池在大电流下工作不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路,不会在高温下发生副反应,不会因产生气体而发生燃烧,因此,安全性被认为是固态电池发展的最根本驱动力之一。

当然,现今技术日新月异,发展迅速,固态电池可能是未来电池技术的发展方向之一,但也不能说固态电池就是最好的。此外比如燃料电池、超级电容器、铝空气电池、镁电池等,在理念上都有较大的发展空间,而最终,要看哪种路线发展更快、更接地气,更能在商业化的规模和成本方面达到完美的平衡点。要达到完美的平衡点,首先,使用的材料必须不能是高成本且稀有的。其次,要在各个行业和领域都有实现大规模应用的可能。

从理论的提出时间来看,固态电池并不是一个新的概念,但多年来,研发上的进展并没有想象那么快速。韩国三星的一位技术人员认为,即便最终能做到成本上的降低,电池从实验室到最终的量产也需要不短的时间。正如液态锂电池,在上世纪70年代,相关的理念和实验认证就在齐头并进地推进,但真正大规模的使用,已经是20世纪末了。

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