据南都电源在投资者互动平台表示,其公司研制的20Ah全固态电池基于超高镍三元正极和限域生长的硅碳负极体系,能量密度可达350W·h/kg,循环寿命2000次,目前已通过挤压、短路等安全性能测试,均达到国标要求,电池不起火、不爆炸。
在EESA展会上展出的南都全固态电池实样
在新能源技术蓬勃发展的当下,这样的全固态电池正逐渐被寄予厚望,许多人期待它成为电池行业的下一个突破口,甚至是“全村的希望”。
全固态电池由正极、负极和固态电解质三部分组成,与传统液态锂离子电池相比,其主要区别在于电解质部分,采用固态电解质替代传统液态电解质。传统锂电池多为液态电解质,易燃、易爆且对环境要求较高。而全固态电池则采用固态材料,这种结构设计使得全固态电池在安全性、能量密度和循环寿命等方面具有明显优势。
全固态电池分为不同的技术路径,主要包括
氧化物基固态电池:氧化物材料稳定性较好,但导电性较低,需提高温度以促进离子传导,适用于电动汽车等高性能领域。
硫化物基固态电池:具有较高的离子导电率,应用潜力巨大,但硫化物材料易与空气中的水分发生化学反应,带来一定的技术挑战。
高分子基固态电池:加工性较好、成本相对低廉,但其耐热性较差,应用上可能更适合小型设备或低功率场景。
以上技术路径都有各自的优缺点和应用场景,总的来看,固态电池的技术路线仍在探索和完善中。
上文说到,相较于传统的液态锂电池,全固态电池在安全性、能量密度和循环寿命方面更具优势。具体表现为:
安全性“节节攀升”锂电池厂发生爆炸的事件近年来屡见不鲜,事故的背后,液态电解质是主要推手。
液态电解质容易因高温或外力导致起火甚至爆炸,而固态电解质不仅稳定,还能避免电池内部短路等安全隐患。
光这一点,就能得到电动汽车领域十足青睐,电池的安全性能越高,消费者的信任度及电动汽车市场推广度就越高。
电池能量密度天花板更高了传统锂离子电池在能量密度上,实际已经逼近理论极限了。这就好似一道无形的壁垒,横亘在那里,无论行业从业者如何奋力跳跃,都难以突破限定的高度范围。
全固态电池不一样,它能量密度天花板更高。几种全固态电池的技术路径对比下来,硫化物基固态电池的电解质的离子电导率最为优异,且具有较低的电化学极化,使电池具有较高的能量密度和功率密度。
中国科学院青岛生物能源与过程研究所有关全固态锂硫电池的新型硫化锂正极材料的研究结果,此前在国际学术期刊《Small》上发表。该全固态电池展现出了卓越的性能,其能量密度超过了 600W・h/kg。相较于当下已经商业化的锂离子电池,它的能量密度要高出一倍多,且成本更低。性价比这块,全固态电池稳赢。
能源密度更高就意味着电池单次充电的续航里程更长。在电动汽车、智能手机等场景中,能量密度的提升将带来产品性能的质变。
循环寿命更长液态电池存在一个显著的弊端,即在经历多次充放电过程后,会不可避免地出现容量衰减的状况,严重影响电池的使用寿命。
与之相比,固态电池则具有更为稳定的物理结构。在历经多次循环使用后,它依然能够保持较高的容量水平,故而拥有更为长久的使用寿命。
在电池领域的这场激烈角逐中,从某种程度上来说,最终比拼的关键就在于谁能够在长时间的使用过程中保持良好的性能状态,也就是看谁能够“活”到最后。而能够“活到最后”,便意味着能够“笑到最后”。
充电“快准狠”固态电池材料的化学特性使其在快速充电方面表现优异,特别是在高功率充电条件下,不易产生副反应。未来的电动汽车充电时间有望缩短至几分钟内完成。
全固态电池的广泛应用,吸引了全球多家企业的关注。
全球范围内许多企业都在加速布局全固态电池的研发和产业化进程。国内外龙头企业如宁德时代、比亚迪、广汽埃安、鹏辉能源、国轩高科等国内企业,以及大众、宝马、丰田、LG化学、松下等国外企业都在积极投入。这些企业计划在未来几年内实现全固态电池的量产和商业化应用,目标时间点集中在2025年至2030年之间。
丰田作为汽车行业巨头,早在2017年就宣布计划在2025年推出商用全固态电池电动汽车。据丰田透露,他们的固态电池能量密度可达液态锂电池的2-3倍,充电时间可以减少至数分钟,续航里程也将大幅增加。他们公司计划在2027年向市场投放配备“全固态电池”的纯电动汽车,并预计在2027-2028年间实现固态电池的大规模量产。此外,丰田还与出光兴产达成了量产合作,以推动固态电池技术的商业化进程。
说了关于全固态电池成为电池界“全村的希望”种种,倘若下列问题不解决,恐会从“全村的希望”沦为“全村的失望”。
现阶段,固态电池的量产仍在技术攻关和测试阶段,距离大规模商用还有一定距离。
一、材料技术瓶颈。固态电池需要突破电解质材料的技术难题,尤其是在低温性能、成本控制等方面。目前,主流的硫化物和氧化物固态电池材料都存在不同程度的技术瓶颈,导致大规模量产成本过高。
二、产业链不完善。全固态电池的生产需要专门的设备和工艺,现有的锂电池生产线并不能完全兼容固态电池的生产。这意味着,企业需要投入巨额资金用于生产设备的升级改造,资金问题阻碍了全固态电池的快速商业化。
三、市场需求不足。尽管全固态电池在性能上有明显优势,但从目前市场来看,液态锂电池技术仍在快速进步,且成本较低。在价格敏感的消费市场中,固态电池可能需要更多时间去打破液态电池的垄断局面。
全固态电池作为未来新能源电池的潜力选项,毫无疑问具备颠覆现有行业格局的能力。它在安全性、能量密度、循环寿命和快速充电等方面具备显著优势,且众多全球巨头企业已经提前布局。然而,技术瓶颈、产业链的完善、市场需求等方面的挑战仍使得全固态电池的商业化进程缓慢。可以预见,未来几年中,随着技术的进步和产业链的完善,全固态电池将逐渐从实验室走向市场,或许真的能成为“全村的希望”。
当年石墨烯也有望,现在哪去了?