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一文读懂固态电池成为下一代动力电池的解决方案

2019年11月07日 文章来源:网络整理 热度:85℃ 作者:刘英

目前,大力发展新能源汽车已成为各国实现节能减排、应对气候变化的共识,很多国家更是将发展新能源汽车上升到国家战略高度。美国、欧洲、日本等国的各大汽车集团均推出各自的发展计划,如大众提出「2025 战略」,预计到 2025 年推出超过 30 款的电动车,销量力争达到 300 万辆。尤其是 2016 年以来,主要汽车强国更是纷纷加大新能源汽车产业的支持力度:

  德国政府和工业界提供了共计 12 亿欧元的补贴资金,并实施特色购置补贴策略;

  美国政府提供了 45 亿美元的贷款担保,大力推动电动汽车基础设施建设,并投资开发车载高能量密度电池。

  在此背景下,截止 2016 年全球新能源汽车累计销售突破 200 万量,其中中国占比 50% 以上,为节能减排和全球气候变化作出实质性贡献。

  然而,目前电动汽车的规模化应用仍受制于续驶里程、安全性、成本等多项制约,例如针对车辆的续驶里程,若单纯增加电池数量,会造成整车增重,进而造成百公里电耗的明显增加,随之而来的是全生命周期的碳排放提高,整车售价也会水涨船高,因此根本解决策略仍需大幅提升电池的各方面性能。以美国特斯拉推出的 Modle S 电动汽车为例,为了解决「里程焦虑」问题,采用了近 7000个 3.1 Ah 的 18650 型锂离子电池,使其续航里程达到 400 km 以上,但是其电池重量达到 500 kg,汽车的售价高达 7.9 万美元,一定程度上抑制了其在市场中推广。

  我国以纯电驱动作为技术路线,车辆所用电池的电量需求更高,对电池的能量密度和安全性提出了更为严苛的要求,因此迫切需要发展高比能、高安全性的动力电池,同时兼顾功率特性、循环寿命和成本等其他性能。

  每一次电池性能的显著提升,本质上都是电池材料体系的重大变革。从第一代的镍氢电池和锰酸锂电池,第二代的磷酸铁锂电池,到目前广为采用且预计持续到 2020 年左右的第三代三元电池,其能量密度和成本分别呈现出阶梯式上升和下降的明显趋势。因此,下一代车用电池选用何种电池体系,对于实现 2020 ~ 2025 年的电池目标至关重要。

  在目前各种新型电池体系中,固态电池采用全新固态电解质取代当前有机电解液和隔膜,具有高安全性、高体积能量密度,同时与不同新型高比能电极体系(如锂硫体系、金属-空气体系等)具有广泛适配性则可进一步提升其质量能量密度,有望成为下一代动力电池的终极解决方案,引起日本、美国、德国等众多研究机构、初创公司和部分车企的广泛关注。

  1 固态电池概述

  传统锂离子电池采用有机液体电解液,在过度充电、内部短路等异常的情况下,电池容易发热,造成电解液气胀、自燃甚至爆炸,存在严重的安全隐患。20 世纪 50 年代发展起来的基于固体电解质的全固态锂电池,由于采用固体电解质,不含易燃、易挥发组分,彻底消除电池因漏液引发的电池冒烟、起火等安全隐患,被称为最安全电池体系。

  对于能量密度,中、美、日三国政府希望在 2020 年开发出 400~500 Wh/kg 的原型器件,2025~2030 年实现量产。要实现这一目标,目前公认的最有可能的即为金属锂负极的使用,金属锂在传统液态锂离子电池中存在枝晶、粉化、SEI(固态电解质界面膜)不稳定、表面副反应多等诸多技术挑战,而固态电解质与金属锂的兼容性使得使用锂作负极成为可能,从而显著实现能量密度的提升。

一文读懂固态电池成为下一代动力电池的解决方案

表 1  不同类型锂基电池的特性比较

表 1 对比了传统锂电池和全固态锂电池,从中可了解固态锂电池的基本特性。进一步,如表 2 所示,针对车用电池应用的期望要求,基于自身特性,固态电池体系逐一给出可能的解决思路。

一文读懂固态电池成为下一代动力电池的解决方案

表 2  电池应用要求与固态电池体系解决思路

2 固态电池核心部件——固态电解质研究进展

对于固态电池,固态电解质是其区别于其他电池体系的核心组成部分,理想的固态电解质应具备:

工作温度区间(特别是常温)保持高的锂离子电导率;

可忽略或者不存在晶界阻抗;

与电极材料的热膨胀系数匹配;

在电池充放电过程中,对正负极电极材料保持良好的化学稳定性,尤其是金属锂或锂合金负极;

电化学宽口宽,分解电压高(> 5.5V vs. Li/Li+);

不易吸湿,价格低廉,制备工艺简单;

环境友好。

以下将从目前重点研究的不同类型固态电解质的组成、基本特性、技术现状、存在问题和改性策略等方面进行具体论述。

2.1 聚合物固态电解质

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