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聚焦下一代电池明星—全固态电池

固态电池并非新的概念,早在上世纪70年代就已经出现了,在1991年左右固态电池实现了商业化,目前耳机中所使用的微型锂电池就是一种固态电池。当时的固态电池以薄膜电池形态出现,而当时其未获普及的原因是因为固态薄膜电池存在着容量小,成本高等缺点,但它能进行商业应用,也证明了固态电池技术还是具有可行性。

随着新能源汽车以及物联网等新兴应用的逐渐普及,尤其是新能源汽车,它对于续航里程、安全性、充电时间等方面都有着较高要求,电池成为关键中的关键。而随着传统液态锂电池不断接近其应用极限,固态电池逐渐进入公众视线。

传统液态锂电池因为其充放电原理被科学界称为“摇椅式电池”,摇椅两端为电池的正负两极,中间为液态电解质。锂电子在摇椅两端来回运动,在锂电子从正极到负极的过程中,完成了电池的充放电。而在这一过程中,存在着诸多安全隐患,如过度充电,电池容易发热,造成电解液气胀、分解、自燃甚至爆炸等情况。

固态电池的充放电原理和液态电池相同,唯一不同的是它的电解质为固态,它相对于液态电解质拥有诸多优势:1)能量密度高。固态电池采用固态电解质后,就不需要使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂作为负极,这样可以减轻负极材料的用量,从而提高整个电池的能量密度。2)体积小。传统液态锂电池中的隔膜和电解液占据了整个电池质量的将近25%,采用固态电解质后,正负极之间的距离可以缩短至最小的十几微米,这样电池的厚度和质量都大大下降了。3)更高的安全性。传统电池因为电解液为液体,在高温状态下可能会发生上述描述过的一系列安全隐患问题,而固态电池却不存在这些问题,具有更高的安全性。

其实,固态电池并非新的概念,早在上世纪70年代就已经出现了,在1991年左右固态电池实现了商业化,目前耳机中所使用的微型锂电池就是一种固态电池。当时的固态电池以薄膜电池形态出现,而当时其未获普及的原因是因为固态薄膜电池存在着容量小,成本高等缺点,但它能进行商业应用,也证明了固态电池技术还是具有可行性。

目前,世界诸多国家和地区都纷纷投入对于固态电池的研究,尤其是对于全固态电池的研究。在10月举办的第八届电池新能源产业国际高峰论坛上,诸多国内电池企业介绍了他们在固态电池领域的研发现状,以及对于这一领域目前所面临的机会和挑战。赣锋锂业认为固态电池可以很好满足未来新能源汽车的发展需求,他们目前和中科院宁波材料所合作,已经在固态电池技术方面拥有了较长期和全面的技术积淀,尤其在固态电池产业化方面走在了行业前列。其研发的电池已经通过了多家权威第三方的全面评测,已经和车企进行应用对接。另外,苏州清陶、北京卫蓝新能源等公司在固态电池研发上也走在了世界前列。

固态电池玩家很多

日本企业也在固态电池领域持续发力,包括日立造船、富士通、TDK以及丰田、松下等公司都在积极布局固态电池领域。尤其是松下公司,据国外媒体报道,丰田与松下在2020年年出已经合作成立了一家合资企业—— Prime Planet Energy & Solutions,将开发和生产棱柱形锂离子电池以及固态电池和“下一代”电池。此外,它还联合比利时研究机构IMEC开发出了体积能量密度为425 h /L的固体电解质锂离子充电电池。

除了中日两国,美国、韩国等国家和地区也均在固态电池领域有所布局。尤其在新能源汽车行业,固态电池被认为是解决动力电池安全问题的根本途径。尤其,近年来,全球各国对于汽车行业的环保监管越来越严,据不完全统计,目前已有超过12个国家、25个地区宣布或制定了禁售燃油车的时间表。新能源汽车代替燃油车将是大势所趋。而能帮助克服续航里程、安全性以及充电时间等方面问题的全固态电池是目前的焦点。据富士经济预测,全固态电池从2020年代中期开始逐步扩大应用,到2035年市场规模将达到约2.8万亿日元,在2030年的3,300亿日元基础上猛增。

但目前全固态电池技术也还面临诸多技术挑战,包括固界面问题、高性能电池材料开发及工程化问题,还有尚未形成规模化的原材料和产业制造体系,以及量产成本高等。最最主要的问题是,目前对于固态电池的电池尺寸、安全指标等方面还没有搭建起标准体系。固态电池的完全商业化还有一段路要走,但相信在诸多新应用的推动下,在各领域公司的研发努力下,固态电池的大规模普及也会很快到来。

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