這段時間“固態(tài)
電池”又成了一個熱門話題,似乎鋰
電池能量密度低的問題馬上就要解決了,純電動汽車?yán)锍探箲]也將成為過去。那么固態(tài)電池究竟是個什么東西,會帶來鋰電池的革命么?
在說固態(tài)電池之前先來回顧一下普通電池的結(jié)構(gòu),它有點像我們?nèi)粘3缘幕ň恚劝衙鎿{平了,然后在上面撒上蔥花,最后把它卷起來。鋰離子電池呢,最下面是一層銅箔,之上是一層石墨,再往上是絕緣層,最上面的是鋰離子材料。
其中,銅箔和石墨是負(fù)極,鋰離子材料是正極。然后把這些東西像做花卷一樣卷起來就是電池了,當(dāng)然其中還有很多細(xì)節(jié),比如添加電解質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘合劑等等,這里就不細(xì)說了。
充電池時,鋰離子從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極,負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時則相反。可以把鋰離子理解成勤勞的工人,負(fù)極是他們的住所,正極是工作的工廠。充電時工人們從工廠回到家里休息;放電時則從家里前往工廠工作。
在鋰電池中,參與放電只是鋰離子而已,它的質(zhì)量大概是整個電池的2%,其他的部件都是維持電池結(jié)構(gòu)和功能的,所以鋰電池的能量密度低的可憐。其中電解液和隔膜占了總質(zhì)量的20%左右,而固體電池就是將電解液換成了固體粉末,那么就省去了“隔膜”這個部件,另外固態(tài)粉末要比電解液體積要小。所以總體來看,電池能量不變重量減輕,能量密度是有所提升的。
優(yōu)點不只是表面看上去的能量密度提升,前面有提到,鋰電池的充放電類似于工人在工廠和家之間往返。但有個問題,為了維持正極的結(jié)構(gòu),在充電時鋰離子不能全部移動到負(fù)極去,也就是有即使下班了,還要留一部分工人在工廠值班,不然就會出問題。所以現(xiàn)在鋰電池的研究方向都集中在正極材料上,如何讓更多的工人回家休息,或者增加工廠的面積,可以容納更多的工人。
比如NCM811電池,這是之前特斯拉用的鋰電池型號,“NCM”代表鎳、鈷、錳三種元素,811是它們之間的比值;再比如寧德時代的NCM532、NCM622這些電池,都是在正極上面做修改,就是為了提升電池的能量密度。
固態(tài)電池由于節(jié)省了一部分材料以及改變了電解液,所以會省下來一部分空間,如此給正極的設(shè)計空間就更大,可以擴(kuò)建那個工廠了。另外固態(tài)電池甚至可以省略正極,在電壓的加持下,負(fù)極滲透過來形成正極,這樣給予正極的設(shè)計空間就更大了。
所以固態(tài)電池不僅看起來會提升能量密度,同時它的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢給予了電池設(shè)計更大的空間,當(dāng)固體電池技術(shù)愈發(fā)成熟后,能量密度會隨著設(shè)計的優(yōu)化,有更大幅度的躍升。
除了提升能量密度外,固體電池安全性能也有所提升。目前鋰電池中的電解液會與正極材料發(fā)生緩慢的化學(xué)反應(yīng),這個過程中釋放很少一部分氣體,所以鋰電池都會設(shè)計一個泄氣閥。但如果發(fā)生意外,像穿刺、變形等情形,氣體就會大量產(chǎn)生隨后撐破外殼發(fā)生爆炸。
固態(tài)電池就沒這方面的問題,因為固體的電解質(zhì)不會產(chǎn)生氣體,自然爆炸的風(fēng)險就降低了很多。另外在遇到穿刺、擠壓等外力破壞時,固態(tài)電池也更加不容易發(fā)生短路。
能量密度更高、安全性更強(qiáng),看起來固態(tài)電池?zé)o比美好,但離車載電池還是有一定距離。這里有一個問題就是“接觸電阻”,接觸電阻越大,電池快速充放電時產(chǎn)生的熱量也越大,會影響電池的性能。如何減小接觸電阻,這就需要電池的突出的極耳和里面的正負(fù)極接觸面積越大越好。
原先這個極耳是浸潤在電解液中的,現(xiàn)在換成了固態(tài)電解質(zhì),那么接觸面積就會小很多,所以面對大功率充放電時,熱量會很大。目前我看關(guān)于固態(tài)電池的一些論文中,很多新技術(shù)都是為了減小接觸電阻,增加電子流動速度。不過很多都是實驗室中的技術(shù),未來何時能夠普及就不知道了。
另外,關(guān)于固態(tài)電池一些新技術(shù),雖然可以支持大功率充放電,但是對電池壽命有影響,充放電循環(huán)次數(shù)只有現(xiàn)在電池的一半。所以,固態(tài)電池真正投入商業(yè)還是有不小挑戰(zhàn)。不過,固態(tài)電池一定是鋰電池的一個發(fā)展方向,現(xiàn)在大眾、福特、豐田、寧德時代、LG、三星等眾多企業(yè)都在作相關(guān)的研究,相信在市場的驅(qū)使下技術(shù)很快會得到突破。
至于說,今年年內(nèi)上市的固態(tài)電池,我還是有疑問的,畢竟它們沒有披露技術(shù)細(xì)節(jié),不知道只是炒“固態(tài)電池”這一概念,還是有真的突破性技術(shù)。我認(rèn)為比較靠譜的突破可能是3、5年后,目前鋰電池行業(yè)主流的觀點也是在2025年將能量密度提升到400Wh/kg,相較現(xiàn)在提升了33%。究竟發(fā)展速度有多快,我們還是拭目以待吧。
(責(zé)任編輯:子蕊)