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固态电池简介
2021-04-20 14:35作者:管理员 来源:中全新能源

简介



  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 。

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。

折叠历程



  从1991年索尼公司将含有液态电解质的锂离子电池带入电子设备的应用至今,液态锂电池已经成为目前最为成熟、使用最广泛的技术路线之一。

在2010年,丰田就曾推出过续航里程可超过1000KM的固态电池。而包括QuantumScape以及Sakti3所做的努力也都是在试图用固态电池来取代传统的液态锂电池。

加拿大Avestor公司也曾尝试过研发固态锂电池,最终2006年正式申请破产。Avestor公司使用一种高分子聚合物分离器,代替电池中的液体电解质,但一直没有解决安全问题,在北美地区发生过几起电池燃烧或者爆炸事件。

2015年3月中旬,真空吸尘器的发明者、英国戴森公司(Dyson)创始人詹姆斯·戴森将其首笔1500万美元的投资投向了固态电池公司Sakti3,后者是一家成立于2007年的电池创业公司。

2018年1月消息,一项突破性的全新电池技术似乎终于接近现实。如果达到预期的话,新技术能满足手机上瘾者数天的使用需求,并且能使电动汽车的行驶里程增加到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态电解质。

2018年1月,它与宝马公司结盟,后者已经承诺在未来10年内为其生产的每一款产品提供某种形式的电池组件,无论是传统的混合动力车、插电式电动车还是纯电动汽车(BEV)。

折叠原理



  传统的液态锂电池又被科学家们形象地称为"摇椅式电池",摇椅的两端为电池的正负两极,中间为电解质(液态)。而锂离子就像优秀的运动员,在摇椅的两端来回奔跑,在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池的充放电过程便完成了。

固态电池的原理与之相同,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。因此,同样的电量,固态电池体积将变得更小。不仅如此,固态电池中由于没有电解液,封存将会变得更加容易,在汽车等大型设备上使用时,也不需要再额外增加冷却管、电子控件等,不仅节约了成本,还能有效减轻重量。


折叠优势

折叠

  优势一

轻--能量密度高。使用了全固态电解质后,锂离子电池的适用材料体系也会发生改变,其中核心的一点就是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,这样可以明显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。

折叠优势二

薄--体积小。传统锂离子电池中,需要使用隔膜和电解液,它们加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代(主要有有机和无机陶瓷材料两个体系),正负极之间的距离(传统上由隔膜电解液填充,现在由固态电解质填充)可以缩短到甚至只有几到十几个微米,这样电池的厚度就能大大地降低--因此全固态电池技术是电池小型化,薄膜化的必经之路。

折叠优势三

柔性化的前景。即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米级以下后经常是可以弯曲的,材料会变得有柔性。相应的,全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有明显的提高,通过使用适当的封装材料(不能是刚性的外壳),制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。

折叠优势四

更安全。传统锂电池可能发生以下危险:(1) 在大电流下工作有可能出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致短路破坏 (2)电解液为有机液体,在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。采用全固态电池技术,以上两点问题就可以直接得到解决


争议


  固态电池可能是未来电池技术的发展方向之一,但也许不是最好的。"上述新能源生产企业的技术人员称,"包括燃料电池超级电容器铝空气电池镁电池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。"所谓接地气,就是在商业化的规模和成本方面都能达到完美的平衡点。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。

或许,现在最具考验的地方在于价格。液态锂电池的成本大约在200~300美元/千瓦时,如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池,其成本会达到1.5万美元,而足以为汽车供电的固态电池成本更是达到令人咋舌的9000万美元。

Sastry表示,固态电池生产成本居高不下的一个重要原因在于生产效率低下。按照Sastry的规划,Sakti3最终将会把电池的成本降低至100美元/千瓦时,不过,她并没有给出最终的时间。

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Sakti3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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