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固態電池能否取代鋰電池
2019-11-22 09:37:47   來源:摩信網   類型:原創   作者:十八子   閱讀(3443次)
 

消費鋰電經歷三十載征程,經歷了日本獨大到中日韓“三足鼎立”的時期,在消費電子領域的格局已基本穩定。動力電池作為新能源汽車核心零部件,電池的能量密度及規模直接決定了電動汽車的續航里程。因此,各大電池企業和汽車制造商都在想盡辦法突破電池“瓶頸”,具有高能量密度的固態鋰電池技術成為目前企業前沿技術首選方案。

近日,隨著2019年諾貝爾化學獎的誕生,來自美日等國的三名科學家因“開發鋰離子電池”,引起了動力電池行業的巨大轟動。作為三位諾獎得主在固態電池研究方面取得的成就,同樣受到大家關注,引燃了對固態電池的大討論。

動力電池在新能源汽車發展中扮演著十分重要的角色,自從2012年中國扶持新能源汽車開始,動力電池就備受各界關注,動力電池作為整車的核心零部件,不僅在價格方面占有很高的比例,在汽車續航里程方面也起到關鍵作用。隨著新能源汽車在行業的壯大,動力電池的研發技術也在一步步提升,并且出現了不同種類的電池,而近幾年最熱的便是固態電池。

一、2019年國內外車企和電池公司都陸續布局固態電池技術

1、雷諾汽車高級副總裁吉爾斯.諾曼德在幾日前,公開表示,2025年將使用鈷態含量為零的固態電池,早在2018年初,雷諾日產-三菱聯盟設立10億美元風投基金,其首個投資項目便用于無鈷固態電池的研發。

2、日前,從哪吒汽車官方獲悉,哪吒汽車正式與清陶科技達成全面合作關系,共同推進固態電池的研發與應用。

3、2019年4月天際汽車便與輝能科技達成了固態電池業務方面的合作。今年下半年蔚來汽車和愛馳汽車都陸續與輝能科技達成固態電池業務方面的合作,以搶先占領市場,完成固態電池的區域布局。

4、德國的大眾集團豪擲1億美元投資電池技術公司QuantumScape,力爭在2024年大規模生產固態電池。

5、寶馬也提出與美國固態電池商Solid Power達成戰略合作,希望盡快研發出車載固態電池。

6、此外三星、戴森、奔馳等產業巨頭也紛紛布局涉足固態電池研發。

7、國內除了中科院寧波材料所,中科院 青島能源所、寧德時代、中航鋰電、比亞迪、贛鋒鋰業等多家研究機構和動力電池企業也都在從事固態電池的研發工作。

車企和電池公司以及研究院紛紛布局固態電池技術,固態電池為何如此受歡迎呢?與傳統鋰電池比較有什么優勢呢?

二、固態電池與傳統鋰電池優缺點分析

固態電池發展于20世紀70年代,最早應用于心臟起搏器。固態電池是一種使用固體電極和固體電解質的電池,是一種電池科技。固態電池具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發的特性。固態電池一般功率密度較低,能量密度較高。

優點:

①直接使用金屬鋰做負極,重量輕且能量密度高,保證車輛續航能力。傳統鋰電池能量密度一般為200KW/kg,而固態電池能量密度可達400KW/kg。

②固態電解質取代傳統隔膜和電解液,電池厚度薄,體積小,質量輕。

③固態電池具有極好的柔韌性前景,可以保證其電池性能不衰退。

④固態電解質不燃燒,耐潮濕,電池安全系數比傳統鋰離子電池高。

缺點:生產成本高以及技術研發困難

傳統鋰電池使用液體電解質,液體電解質易燃、易爆、易揮發,在受到外部撞擊或者其他極端情況時,就會發生電池短路,起火燃燒的現象。

新能源汽車國家大數據聯盟8月公布的《新能源汽車國家監管平臺大數據安全監管成果報告》顯示,自5月起,新能源汽車國家監管平臺共發現79起安全事故,58%的車輛起火原因是電池問題,86%的涉事車輛使用三元鋰電池。市場上目前最常見的是三元鋰和磷酸鐵鋰電池,但由于成本控制、安全、原材料渠道以及補貼政策的退坡等方面的原因,已無法滿足當下新能源產業的發展需求。

優點:生產成本低,產品量產大。

缺點:安全系數低,容易爆炸,能量密度局限性大。

從上面的比較中可以看出,固態電池在成本以及技術方面的問題嚴重阻礙了固態電池的發展,而鋰電池在汽車發展中導致的車輛起火問題也嚴重影響了鋰電池的發展,雖然固態電池遭遇了瓶頸,但是在未來的時間里,可以攻克這個問題,然而鋰電池的問題最終會導致它被市場所淘汰。

三、固態電池發展阻力

技術困難:

固態電池在固態電解質的導電率、內阻界面阻抗及相容性上存在著問題,因而固態電池短時間內不能量產應用于市場。

1、固態電解質材料限制大,電池整體阻抗和倍率性能低。固體電解質是固態電池的核心,目前應用的固態電解質有三種體系:聚合物、氧化物、硫化物。這三種固態電解質材料各有優勢,然而他們共同的缺點是:低離子電導率。低離子電導率會阻礙鋰離子在電池正負極之間的運動,導致鋰離子傳輸速度和效率降低,在高倍率大電流下運動能力變差,電池能量密度和功率密度都將下降。

2、固態電解質與正負極之間以固/固界面的方式接觸,接觸面積小,界面阻抗大,電池循環壽命、倍率性能差,導致充電速度緩慢。

3、目前,針對無機固體電解質的測試顯示,大部分固體電解質機械性能相對較差,易破碎開裂,導致電池短路,發生泄漏。

成本昂貴:

毋庸置疑,固態電池成本是十分昂貴的,這與固態電解質材料有很大關系,具有良好性能的材料成本昂貴,而成本可接受的材料的導電度與穩定性較差。目前市場上的傳統鋰電池成本大約在200~300美元/千瓦時,而生產滿足智能手機供電需要的固態電池成本則需要1.5萬美元(按現有技術條件),那么可想而知生產滿足新能源汽車供電的固態電池成本為多少,據估算(按現有技術條件)成本費用約為9000萬美元。

四、發展前景向好

固態電池發展前景向好,只需在時間里開花結果。

2019年10月9日,鋰電池斬獲諾貝爾化學獎,此次化學獎由三位科學家共同獲獎,以表彰三人在鋰電池開發上的貢獻,在國內新能源環境低迷的情況下,這給車企、電池企業帶來了雨露,鋰電池再一次受到關注,而作為鋰電池全新領域的固態電池也被這些科學家所看好,兩年前,95歲高齡的古迪納夫帶領工程師團隊打造了一個新型全固態電池,不過僅限實驗,能否量產應用于市場還有待考究。而現年97歲的約翰?B?古迪納夫依然在不停地工作,攻克技術難題,尋找解決固態電池難題的辦法。

目前,中國已成為世界上最大的汽車生產國和消費國,伴隨著環境污染和能源緊缺問題,新能源汽車在未來的發展中定會斬落頭角。而電動汽車也會逐漸普及全中國進入尋常百姓家,為了滿足廣大市民的出行需求和解決環境以及能源緊缺問題,固態電池的技術研發刻不容緩,現階段固態鋰電池量產產品很少,產業化進程仍處于早期。根據資料顯示,固態電池有望在2025年實現量產。

固態電解質相對于液態電解質電導率較低,因此為了降低電池的內阻,提高電池的大電流放電能力,需要將固態電解質膜盡可能的做薄。目前國內有北京大學、中國電子科技集團等院所正在進行固態鋰電電解質的研究。目前國家項目有計劃用材料基因組來做固態電池。

從海外各家企業實驗與中試產品來看,固態鋰電池能量密度優勢已開始凸顯, 明顯超過現有鋰電水平。相信在不久的將來固態電池的難題會被攻克。

固態電池相較于鋰電池有太多優勢,而隨著國家政策和世界格局的變化,電動汽車將會在全世界普及和發展,這為固態電池的發展提供了良好機遇,固態電池的量產有利于緩解世界環境和能源問題,為電動汽車提供綠色環保新動力。在未來的發展中傳統鋰電池會被“洗”掉,而固態電池雖然由于種種困難目前不能實現量產,但它只需在時間里等待開花結果。

(編輯:xuyongjie)

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