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不自燃、續(xù)航不焦慮的電池離我們還有多遠(yuǎn)?

時(shí)間:2022-04-01 17:49來(lái)源:WHYLAB 作者:WHYLAB
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       水有三態(tài) —— 液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài),現(xiàn)代硬盤(pán)主要有兩類(lèi),機(jī)械硬盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán);或許你有聽(tīng)說(shuō)過(guò),其實(shí)電池也有「固態(tài)」的。
 
       固態(tài)硬盤(pán)稱(chēng)之為「固態(tài)」的解釋有多個(gè)版本,但通俗來(lái)說(shuō),它由固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片矩陣列組成的,相比起以磁性材料為存儲(chǔ)介質(zhì)的機(jī)械硬盤(pán),其形態(tài)更為固定,故成為「固態(tài)硬盤(pán)」。
 
       固態(tài)電池是否也是如此呢?
 
01 
 
電池如何「固態(tài)」?
 
       如今大多數(shù)的蓄電池,特別是鋰離子電池,其電解質(zhì)都是液態(tài)的,可以稱(chēng)之為「液態(tài)鋰離子電池」—— 而所謂「固態(tài)電池」其實(shí)就是與之相對(duì)的一種鋰離子電池技術(shù)。
 
       我們知道,如今成熟的鋰離子電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)包括有正極(陰極)、負(fù)極(陽(yáng)極)、電解質(zhì),還有分隔陰陽(yáng)極(正負(fù)極)的隔膜。
▲ 傳統(tǒng)鋰電池(左)與全固態(tài)電池(右)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意
 
       而固態(tài)電池,將當(dāng)中原本液態(tài)的電解質(zhì)改為了固態(tài)材料,并去掉了獨(dú)立的隔膜結(jié)構(gòu)。
 
       當(dāng)然,固態(tài)電池的類(lèi)型也是多種的,以電解質(zhì)來(lái)分,有氧化物、硫化物、聚合物等,它們都有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),成本上也各有優(yōu)勢(shì),這方面后面再聊。
 
02 
 
電池為什么要固態(tài)?
 
       聊到我們今天已司空見(jiàn)慣的「液態(tài)鋰離子電池」,總能找到它的槽點(diǎn) —— 自鋰離子電池面世以來(lái),它的進(jìn)步仍趕不上我們的需求,即使是近幾年電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展帶動(dòng)了鋰電池技術(shù)的發(fā)展,今天的手機(jī)還得一天一充、電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航仍比不上油車(chē);即使配套的電池管理技術(shù)再怎么完善,電池本身的安全性的進(jìn)步仍有限,仍時(shí)不時(shí)有手機(jī)電池自燃燒傷用戶(hù)、電動(dòng)汽車(chē)自燃難以撲滅的新聞出現(xiàn)。
       現(xiàn)實(shí)中,電池的容量和安全二者常常會(huì)處于博弈的關(guān)系中,例如被廣泛用作動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的磷酸鐵鋰和三元鋰電池,前者能量密度略低、熱穩(wěn)定性高(安全性較強(qiáng))、不耐低溫、壽命長(zhǎng)、成本較低,后者則與之相對(duì),密度較高、熱穩(wěn)定性較差(相對(duì)容易熱失控)、耐低溫、壽命較短、成本較高 —— 因此車(chē)廠們和電池廠會(huì)依據(jù)自身產(chǎn)品定位的取舍來(lái)選擇電池類(lèi)型。
 
       磷酸鐵鋰和三元鋰電池是如今鋰電池的縮影,而另一方面液態(tài)鋰離子能量密度已經(jīng)貼近技術(shù)天花的 300Wh/kg 左右(實(shí)際密度更是低于這個(gè)值),而下一步摻硅等方法改進(jìn)的傳統(tǒng)鋰電池,只能將理論天花板捅到 400Wh/kg 左右。
▲ 傳統(tǒng)三元鋰電池針刺實(shí)驗(yàn)截圖(極易熱失控)
 
       前面提到的安全問(wèn)題,可以說(shuō)是如今「液態(tài)」鋰離子電池的痛 ——在過(guò)充、電解質(zhì)活性低等情況下,鋰離子若無(wú)法及時(shí)嵌入到石墨負(fù)極時(shí),會(huì)在負(fù)極表面形成金屬鋰枝晶,一來(lái)會(huì)損失鋰離子,降低電池的容量,二來(lái)形成的金屬鋰枝晶可能會(huì)有刺穿陰陽(yáng)極之間的隔膜,造成短路的風(fēng)險(xiǎn),電池內(nèi)部一旦短路,很有可能引起熱失控,引起自燃。
 
       而固態(tài)電池,理論上能解決液態(tài)鋰電池的這兩個(gè)問(wèn)題。
▲ 三元鋰固態(tài)電池針刺實(shí)驗(yàn)截圖(不易產(chǎn)生熱失控)
 
       首先固態(tài)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,普通電池液態(tài)的有機(jī)電解液含有易燃的溶劑,固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)則不需要,直接去掉了易燃的隱患,陰陽(yáng)極之間就不需要額外的隔膜結(jié)構(gòu),即使電池遭到破壞,也不易發(fā)生自燃 —— 將鋰電池的安全性提升到另一個(gè)次元。
       而容量方面,得益于固態(tài)電池穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),其能量密度能突破普通鋰離子電池 300Wh/kg~400Wh/kg 的天花板限制 —— 都說(shuō)如今的鋰離子電池能量密度的天花板實(shí)際是安全性與堆料性能不斷博弈的結(jié)果 —— 例如三元鋰電池的正極(陰極)材料,就是利用了鎳的比能量高特性,才提升了鋰電池的能量密度,但鎳的含量高了,電池就越不穩(wěn)定 —— 如果安全問(wèn)題「解決」了,那么即使材料不變,鎳的含量可以進(jìn)一步提升,而其它起穩(wěn)定作用的元素則可以降低(如「鈷」),這樣的電池密度就再進(jìn)一步提升。
(摘自:許曉雄的《全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望》)
 
       以上兩點(diǎn)對(duì)于電池動(dòng)力的汽車(chē)而言,都是利好的痛點(diǎn)改進(jìn) —— 一來(lái)提升電動(dòng)汽車(chē)的安全性,二來(lái)大幅度提升電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力和充電速度。
▲ 傳統(tǒng)鋰電池組封裝方式(左)與固態(tài)電池組封裝方式(右)
 
       此外,還有重要的一點(diǎn),就是動(dòng)力電池組的封裝問(wèn)題,傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池組,一般是先生產(chǎn)出多個(gè)小電芯,再通過(guò)并聯(lián) + 串聯(lián)的方式組合成更大電池組的,而電芯之間還需要有冷卻系統(tǒng)的布置,整個(gè)電池組本身的電芯的占比還不夠高;而固態(tài)電池,可以直接串聯(lián)堆疊封裝而無(wú)需冷卻系統(tǒng)的布置,這樣一來(lái),相同空間內(nèi)的電池組空間進(jìn)一步壓縮,電芯占比提升,封裝的電池組容量也就再進(jìn)一步提升了。
 
03 
 
它離我們多遠(yuǎn)?
 
       最近有消息稱(chēng)保時(shí)捷正研發(fā)的電動(dòng)版 911 跑車(chē)將搭載固態(tài)電池,而這款固態(tài)電池將與 QuantumScape 共同合作開(kāi)發(fā);寶馬的首款固態(tài)電池車(chē)型或許最快于 2025 年上市;日產(chǎn)的首款固態(tài)電池計(jì)劃于 2029 年 3 月前推出。
       而蔚來(lái)其實(shí)早在去年的 ET7 發(fā)布會(huì)上,就透露其第一款電動(dòng)轎車(chē) ET7 將會(huì)有搭載 150kWh (半)固態(tài)電池的超長(zhǎng)續(xù)航電池包版本推出,最近的 ET7 終于開(kāi)啟交付了,但這一版本卻仍未見(jiàn)蹤影,也沒(méi)有報(bào)價(jià)。
       不過(guò)在最近的中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)論壇上,這款電池的供應(yīng)商「衛(wèi)藍(lán)新能源」透露,用于這款車(chē)型的(半)固態(tài)電池將會(huì)在今年底、明年上半年正式量產(chǎn)交付,其能量密度可以來(lái)到 360Wh/kg 的水平,能換來(lái) 1000 公里的超長(zhǎng)續(xù)航里程 —— 除了蔚來(lái),衛(wèi)藍(lán)新能源近期還獲得小米(小米長(zhǎng)江產(chǎn)業(yè)基金)、華為(哈勃投資)等企業(yè)的進(jìn)一步投資;而 SK、寧德時(shí)代、贛鋒鋰電等電池廠也開(kāi)始加速固態(tài)電池的布局,可見(jiàn)已經(jīng)有不少科技公司瞄準(zhǔn)了固態(tài)電池的發(fā)展。
▲ 衛(wèi)藍(lán)新能源 30Ah 固態(tài)電池電芯樣品
 
       但值得注意的是,包括衛(wèi)藍(lán)新能源在內(nèi),近期即將量產(chǎn)的固態(tài)電池實(shí)際上只是混合固態(tài)電池(根據(jù)液體含量不同俗稱(chēng)半固態(tài)電池、準(zhǔn)固態(tài)電池等),要實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)液全固態(tài)電池,還需要一段時(shí)間來(lái)解決擺在面前的各種問(wèn)題。
 
       做全固態(tài)電池為什么那么難,這就不得不說(shuō)到固態(tài)電解質(zhì)對(duì)比起液態(tài)電解質(zhì)的缺點(diǎn)了 —— 首先是鋰離子的通過(guò)率較低,它決定了電池內(nèi)部陰陽(yáng)極之間鋰離子的通暢性,前面提到的氧化物、硫化物、聚合物三種電解質(zhì)類(lèi)型里,數(shù)硫化物類(lèi)電解質(zhì)的通過(guò)率最高,但它的穩(wěn)定性較弱,且成本較高;第二個(gè)問(wèn)題出在固態(tài)材料的接觸程度遠(yuǎn)低于液態(tài)材料,接觸面積小了,界面阻抗也就越高,鋰離子的通暢性再度受阻 —— 這都限制了材料能量的釋放。
 
 
       而現(xiàn)階段的混合固態(tài)電池,是從液態(tài)到固態(tài)邁進(jìn)的一種折衷技術(shù)路線(xiàn),內(nèi)部因含有液態(tài)電解質(zhì),這類(lèi)混合固態(tài)電池其實(shí)還是會(huì)有隔膜的存在,不過(guò)安全性和能量密度理論上已經(jīng)比普通液態(tài)電池高了。
 
       中科院院士歐陽(yáng)明高表示,2025年是液態(tài)電池向固態(tài)電池過(guò)渡的關(guān)鍵期;但實(shí)際上,全固態(tài)電池還需要新材料的研發(fā)、設(shè)計(jì)的革新、技術(shù)的成熟等方面跟上,要想真正實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的量產(chǎn),或許我們還有很長(zhǎng)的路要走。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 電池
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