现在市面上的锂电池应该称作液态锂电池,因为其核心电池材料之一是液态电解质(也称电解液)。
固态电池是使用固态电解质的锂电池,简称固态电池。
传统锂电池构成包括正极、电解液、隔膜、负极四大材料。而固态电池则将电解液和隔膜换成了固态电解质,其余类似。
目前大家都对于锂电池的安全隐患褒贬不一,毕竟安全是排在第一位的。所以,液态锂电池的安全性长期被市场质疑。
锂电池导致起火的主要原因便是电解液。
电解液对温度十分敏感。它在高温下极易分解,腐蚀性强、易燃易泄漏。尤其是析锂反应,极易造成短路。电解液提供了锂离子在电池内“畅游”的场所。
短路一旦发生,局部温度大幅上升,达到锂电池内部的液态电解液燃点,进而起火甚至发生爆炸。
目前增加锂电池安全性的措施有,添加阻燃剂、或使用耐高温薄膜的方法,但仍旧没有成功。可而液态电池技术难以杜绝安全隐患。
固态电池使用几乎不可燃的固态电解质作为传导介质,降低了电池组对温度的敏感性,杜绝了析锂枝晶增加的短路概率,亦能凭借良好的绝缘性,有效阻隔正负极。
所以固态电池安全性的天然优势。
固态电池另一大优势便是性能。
续航和快充是新能源车的致命弱点,里程焦虑一直困扰着人们。
新能源车一直朝着高续航的路径发展:从200公里到500公里,即将进入1000公里的目标范围。更高能量密度的锂电池,将是解决这些问题的最大可能。
高能量密度,这对于现在的液态锂电池技术来讲是困难重重。
锂电池的能量密度主要取决于工作电压和正负极材料比(克)容量。也就是说,电压越大,能量密度越大;比容量越高,能量密度越高。在液态电池领域,三元软包是能量密度最高的技术。
锂电池在工作的时候,电池电压会随着电量的降低而下降。假设其他条件不变,同等电流下,高电压的工作时间就比低电压长。
目前液态锂电池的材料和使用安全性所限,锂电池的工作电压一般在4.2V以内,很难有所提升。因为4.3V以上电压会加剧电解液分解。
固态电解质的使用,可以改变现有正负极体系,采用更高比容量材料作为正负极。通过采用负极金属锂,正极高电势材料,电化学窗口可以达到5V以上。而锂的比容量将是石墨的10倍以上,三元高镍正极的17.5倍。
从锂电池未来高能量密度的技术发展路径来看,固态电池无疑更加适合大规模应用。
固态电池使用电解质,替换出的电解液和隔膜,合计占锂电池成本30-45%。固态电池电解质,有聚合物、硫化物和氧化物三种。近期,中科大合成了一种新型固态电解质——氯化锆锂,使成本降低94%。
液态锂电池除了锂外,还大量用到钴、镍等稀缺金属,价格高昂。而固态电池正极可以使用锰、硫等常见的材料,客观上保证了未来固态电池的成本竞争空间。
现阶段的三元电池,其每千瓦时成本已经超过1000元。
安全、性能、成本是锂电池推广的核心三要素,在这三方面,固态电池已经展现出巨大的优势。毫无疑问,未来锂电池的主流技术路径属于固态电池。
目前固态电池技术尚处于一片蓝海。电解质、正极等材料均没有出现颠覆性替代的产品,没有形成产业基础。此时,是先行者获取优势的最好时机。
传统的锂电池和固态电池包装,有软包、方形和圆柱三种工艺。
在现阶段,软包工艺是固态电池确定性较高的包装方式。
制造过程按顺序可分为前段、中段、后段三个环节。简单来讲,前段就是正负极生产的过程,后段则是检测组装的环节。
中段就是电池制作的过程,包含叠片/卷绕、入壳、焊接、干燥、注液等五道工序,最核心的环节便是叠片/卷绕工序,在整个中段工艺中价值量最高,占比约为70%。
不同包装方式制作工序也不同。圆柱电池主要采用卷绕工艺(可以想象成制作多种食材的卷饼),方形电池多数也以卷绕为主,而软包电池采用的是叠片工艺(可以想象成制作三明治)。
由于氧化物及硫化物电解质柔韧性较弱,采用叠片工艺的软包电池是最适合的。不仅于此,相较于圆柱电池和方形电池,软包电池在能量密度上也有显著优势。
叠片工艺生产的软包电池,内部变形、弯曲或断裂的概率低。另外,软包电池的铝塑膜外壳并不坚硬。电池一旦发生热失控,一般会先胀气冲破铝塑膜封装,带走大量的热量,避免电池发生爆炸。
而质量较轻的铝塑膜外壳,在同等容量下,使得整个电池重量较钢壳锂电池轻40%,较铝壳锂电池轻20%。因而,软包电池的能量密度会比钢壳三元锂电池高出40%。