当前,动力电池技术正迎来关键发展阶段,全球车企与电池巨头纷纷加快固态锂电池的商业化布局,让这一领域成为行业关注的焦点。
奔驰与美国Victoriaenergy合作推出的纯电EQS车型,宣称单次充电续航超1000公里,电芯能量密度达450瓦时/千克;国内电池龙头亿纬锂能也在成都揭牌固态电池量产基地,宣布龙泉二号全固态电池成功下线。
与此同时,曾在锂钴氧化物加石墨体系占据技术优势的日本企业,面对中国锂电产业的快速崛起,将硫化物固态电池视为重返赛道的重要契机。
丰田、本田、松下等企业抱团发力,其中丰田手握千余项固态电池专利,期望通过这一技术实现市场突破。
不过,多数人对固态电池的认知仍停留在宣传层面,真正了解其技术内核与发展现状的并不多。从定义来看,固态电池的核心是用固态电解质替代传统液态电解质,这一概念并非近年新生,早在20世纪70年代就已提出。
1991年,美国阿贡国家实验室在《物理快评》上正式发布可充电固态锂电池设计方案,详细阐述了工作原理与结构。但从1991年到2010年,受落地难度大、成本高的限制,固态电池技术发展陷入停滞。
当时,MP3、笔记本电脑、智能手机等数码产品快速普及,液态锂电池凭借更高的稳定性和更低的量产成本成为行业首选,固态电池的发展暂时被搁置。
2010年后,随着汽车产业向电动化转型,动力电池需求不断升级,液态锂电池的局限性逐渐显现。传统液态锂电池采用的石墨负极,理论容量上限仅为372毫安时/克,难以满足更高能量密度的需求。
为突破400至500瓦时/千克的目标,行业曾探索锂空气电池路线,其实验室能量密度可达3500瓦时/千克以上,是石墨负极的十倍,一度被视为实现储能突破的方向。但在实际研发中,锂空气电池面临充放电循环时锂离子在负极侧沉积产生枝晶的问题,难以实现商业化应用。
在锂空气电池发展遇阻后,能量密度500至600瓦时/千克的固态电池重新进入行业视野。
固态电池采用锂金属作为负极材料,借助固态电解质的高机械强度和低电子导电率抑制枝晶生成,同时省去液态电池中的电解液和隔膜,实现电芯材料更紧密堆积,大幅提升能量密度,且在安全性上更具优势,因此被视为下一代动力电池的理想方向。
目前行业内常提及的“固态电池量产”,多数实际是半固态电池(也称混合固液电解质电池)。
这类电池通过减少液态电解质用量(通常控制在10%以内,部分产品小于5%)提升安全性,同时保留液态电池的多数工艺步骤,仅需调整涂布和封装环节,良率可达80%以上,与现有锂电产线兼容性高,改造成本仅为液态产线的20%至30%,远低于全固态电池产线60%以上的重建成本。
不过,半固态电池的能量密度提升有限,从液态三元锂电池的300瓦时/千克提升至400至450瓦时/千克,更多是作为过渡性技术存在。
全固态电池目前已形成聚合物、氧化物、硫化物三大技术体系,不同体系各有特点。
未来3至5年,半固态电池成本将逐步向主流三元锂电池靠拢,若成本差距控制在30%以内,有望率先应用于高端车型;5至8年后,随着全固态电池在核心材料与大规模制备工艺上取得突破,真正的全固态电池将稳步进入消费市场,为动力电池产业带来变革。
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