固态电池是采用固体电极和固体电解质的电池。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和重量相对较高,因此是电动汽车的理想电池。
固态电池
目录
一、固态电池简介 |
二、固态电池历史发展 |
三、固态电池工作原理 |
四、固态电池的优势 |
五、固态电池的争议 |
六、固态电池与钴的关系 |
固态电池是电池技术的一种,与现在普遍使用的锂离子电池、锂离子聚合物电池不同,固态电池是采用固体电极和固体电解质的电池。
由于科学界认为锂离子电池已经到达极限,近年来固态电池被认为是可以继承锂离子电池地位的电池。固态锂电池技术采用锂和钠组成的玻璃化合物作为导电材料,取代了以往锂电池的电解质,大大提高了锂电池的能量密度。
在固态离子学中,固态电池是一种采用固体电极和固体电解质的电池。固态电池一般功率密度低,能量密度高。由于固态电池的功率和重量相对较高,因此是电动汽车的理想电池。
2020年固态电池技术研发有望取得突破,在成本、能量密度、生产工艺等方面进一步追赶锂离子电池技术。
2030年,锂离子电池将不再是电动汽车电池的主流,但在某些电子元件中仍然有一席之地。
自1991年索尼将含有液态电解质的锂离子电池引入电子设备应用以来,液态锂电池已成为最成熟、应用最广泛的技术路线之一。
2010年丰田就推出了固态电池,续航里程超过1000KM,包括QuantumScape、Sakti3等的努力也在尝试用固态电池取代传统的液态锂电池。
加拿大Avestor公司也曾尝试研发固态锂电池,最终于2006年申请破产。Avestor采用聚合物隔膜取代电池中的液态电解质,但并未解决安全问题,北美曾发生多起电池燃烧或爆炸事件。
2015年3月中旬,吸尘器发明者、英国戴森公司创始人詹姆斯·戴森将自己的第一笔投资1500万美元投入到固态电池公司Sakti3,后者是一家成立于2007年电池初创公司。
2018 年 1 月,一项突破性的新电池技术似乎终于接近现实。如果符合预期,这项新技术可以满足手机迷几天的用电需求,并将电动汽车的续航里程提高到 500 英里(约 804 公里)以上。这项新技术被称为固态电池技术,它用陶瓷材料取代了当今电池中的液体电解质。
2018年1月,它与宝马结成联盟,宝马承诺在未来10年内为其生产的每一种产品提供某种形式的电池组件,无论是传统的混合动力汽车、插电式电动汽车,还是纯电动汽车(BEV)。
传统的液态锂电池也被科学家形象地称为“摇椅电池”。摇椅两端分别是电池的正极和负极,中间则是电解液(液体)。锂离子就像一名优秀的运动员,在摇椅两端来回奔跑。在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,就完成了电池的充电和放电过程。
传统电池和固态电池
固态电池的原理也一样,只不过它的电解质是固体的,其密度和结构可以让更多的带电离子聚集在一端,传导更多的电流,从而提升电池容量。因此在同样的电量下,固态电池的体积会变得更小。不仅如此,由于固态电池中没有电解质,因此密封起来会更加容易。在汽车等大型设备上使用时,无需增加额外的冷却管、电子控制等,不仅节省成本,还能有效减轻重量。
1.轻质——高能量密度。全固态电解质使用之后,锂离子电池的适用材料体系也会发生变化,最核心的一点就是不再需要采用嵌锂石墨负极,而是直接采用金属锂作为负极,这样可以大幅减少负极材料的用量,大幅提升整个电池的能量密度。
2.薄型化——体积小。传统锂离子电池中,需要隔膜和电解液,两者合计占电池体积的近40%,质量的25%。而如果将它们换成固态电解质(主要为有机和无机陶瓷材料),正负极之间的距离(传统上是隔膜电解质填充,现在都是固态电解质填充)可以缩短到哪怕几个微米,这样就可以大大降低电池的厚度。所以全固态电池技术是电池小型化、薄膜化的必由之路。
固态电池材料
3、柔性化前景。即使是脆性陶瓷材料,在厚度薄到几毫米甚至更少后,也常常会被弯曲,材料就会变得柔韧。相应地,全固态电池在变薄变轻后,其柔性也会显著提升。通过采用合适的封装材料(而非刚性外壳),制成的电池可以承受数百到数千次的弯曲,保证性能。
4.安全。传统锂电池可能存在以下隐患:(1)大电流工作时可能出现锂枝晶,会刺穿隔膜造成短路损坏。(2)电解液为有机液体,高温下容易发生副反应、氧化分解、燃烧等。采用全固态电池技术,可直接解决以上两个问题。
固态电池或许是未来电池技术的发展方向之一,但未必是最好的。”前述新能源生产企业技术人员表示,“包括燃料电池、超级电容器、铝空气电池、镁电池等,概念上都有很大的发展空间,但最终还是要看哪条路线发展更快、更易于商业化,转化的规模和成本能否达到一个完美的平衡点。”首先,所用的材料不能是高成本、稀有的,其次,要能够在各个行业、领域实现规模化应用。
现在最有挑战性的或许还是价格。液态锂电池的成本大概在 200-300 美元/kWh。如果以现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池,成本将达到 1.5 万美元,而足以为汽车供电的固态电池成本则能达到更高——惊人的 9000 万美元。
Sastry 表示,固态电池生产成本高的一个重要原因是生产效率低下,按照 Sastry 的规划,Sakti3 最终将把电池成本降至 100 美元/kWh,但她并未给出最终时间。
从理论提出的时间来看,固态电池并不是一个新概念,但这些年来,研发进展并没有想象中那么快。韩国三星一位技术人员认为,即便Sakti3最终能实现成本降低,但这种电池从实验室到最终量产还需要很长的时间。就像液态锂电池一样,在上世纪70年代,相关概念和实验认证齐头并进,但真正大规模使用已经是20世纪末了。
进入2021年,蔚来主攻固态电池,松下则有意发展无钴电池。那么,固态电池和无钴电池是什么关系?固态电池是不是无钴电池?
早期固态电池的电解质为聚合物电解质,PEO(聚环氧乙烷)占绝大多数,PEO的电化学稳定窗口(氧化电位)为3.8V,无法与高电压正极材料(钴酸锂、三元材料等)兼容,只能使用磷酸铁锂作为正极,因此一直流传着不用钴的说法。
不过早期的固态电池有个缺点,就是能量密度不高。比如法国博洛雷的固态电池,是PEO电解质+磷酸铁锂正极,能量密度只有170wh/kg,工作温度最高只有80度。因此并没有得到推广,只搭载了3000辆汽车。
也就是说,早期的固态电池其实是磷酸铁锂固态电池,不含钴,称其为无钴电池也不为过。
随着电池技术的发展,目前在研和试产的固态电池大多采用含钴正极,主要有钴酸锂和三元材料。固态电池的核心是电解质,目前分为聚合电解质和无机电解质两大类,无机物又有氧化物和硫化物两种,它们的电化学窗口大致分别在5.4V和5.7V。钴酸锂和三元材料可以提高电池的高密度和性能。虽然也有其他类型的正极材料在研,但远没有钴酸锂和三元材料成熟。
采用钴酸锂和三元材料作为正极,可以大幅提高电池的能量密度,比如丰田,它的正极材料也是钴酸锂,能量密度可以达到400wh/kg;
所以这里可以得出一个结论:以钴酸锂和三元材料为正极的固态电池是含有钴的,这种固态电池并不是无钴电池。
显然,现在含钴的固态电池比早期不含钴的固态电池要优越,有说法称,在可预见的未来,固态电池一定用钴,而且占比甚至比锂离子电池还高!