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充电1分钟续航800km?揭秘菲斯科固态电池“神话”

新能源带趋势

充电时间极短,续航里程超长,很多新闻都是这样形容固态电池的。前不久电动汽车制造商菲斯科(Fisker)申请了一项固态电池专利,有媒体报道能使电动汽车的续航能力提高到804公里,而且使充电时间也缩短到一分钟。此前,丰田、日立等企业也都曾声称已申请了固体电池的相关专利。从世界范围看,固态电池有望在2025年前后迎来商业化量产。

我们不禁要问,固态电池到底有何神奇之处?如今,固态电池相关技术突破、专利申请的新闻层出不穷,在惊叹固态电池可以实现“极速充电+超长续航”的时候,也要看清是否能在通常条件下实现这种电池的量产推广。分析菲斯科固态电池超高性能的实现路径,笔者请教相关专家得出的结论是,如果采用聚合物固态电解质路线,这种极速快充很可能是建立在实验室特殊条件(高温充电)下试验样件基础之上的。“抛开商业化谈技术”都是耍流氓,在我们关注材料技术新突破时,不妨也多关注一下固态电池的生产工艺及量产设备有何等进展。

“固态”到底是个什么概念?

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顾名思义,电解液在常温下的物质形态是液体,具有一定的流动性,而所谓的固态电解质就是要将这种液态(或胶态)的分散系替换成固态电解质。

相比于具有流动性的电解液,固态电解质的特点非常明显:

安全性极高——固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,克服了锂枝晶现象,因而全固态电池具有极高安全性;

能量密度提升——固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口,有利于进一步提升电池的能量密度;固态电解质能阻隔锂枝晶生长,材料应用体系范围大幅提升,为具有更高能量密度空间的新型锂电技术奠定基础。

极速充电是如何做到的?

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回过头来再看Fisker的这项固态电池专利,外界传闻“充电1分钟续航800km”的说法过于笼统,没有明确具体车辆和工况。笔者请教相关专家得出的结论是,如果采用聚合物固态电解质路线,这种极速快充很可能是建立在实验室特殊条件(高温充电)下试验样件基础之上的。

按照之前报道的说法,Fisker的专利采用了所谓的“三维固态”电解质,这一点非常符合无机固态电解质的特点。虽然有些无机固态电解质(比如基于团簇离子的反钙钛矿锂离子超导体)在室温下具有可以和液态电解质相比拟的离子电导率,但是在体积变化(这就是为什么很多固态电池样件都是做成软包叠片电池)、界面电荷转移电阻、灵活性和较差的循环稳定性等方面存在诸多问题。

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Fisker预计它们的固态电极技术可以在2023年被用在电动汽车中,这个与大多数相关电池的公司的时间点非常契合,从世界范围看,预计固态电池会在2020年左右能够实现小批量的量产。宝马声称有望于2026年实现固态电池突破性进展并随后量产;丰田也正在全力研发固态电池,并且已经开发出能量密度为400 Wh/kg的电池原型,大约在2020年实现商业化应用,预计到2025年能得到实质性改善。

工艺尚未成熟

市面上常见锂离子电池,由于电解液为有机溶剂体系,电池的正、负极需要用隔膜分隔开来,防止两极接触而短路,而固态电池则不需要隔膜。看似是减少了生产工艺,但实际上固态电池却面临着更多问题。

北京卫蓝新能源科技有限公司总经理俞会根指出,由于固态电池的电解质材料均为固体,导电过程是点接触,因此电池制造过程中需解决基于界面阻抗大、界面稳定性不良、界面应力变化等引起的问题;此外,固态电解质在充放电过程中体积膨胀和收缩,导致界面容易分离,就现阶段技术水平而言,还有较大的提升空间。

为了适应不同的固态电解质,常见的磷酸铁锂和NMC三元锂正极材料、石墨负极材料可能无法很好的适用与固体电解质,需要设计和构建与固态电解质相匹配的电极,研究和开发出适合于固态电解质的锂离子电池新体系。

从理论的提出时间来看,固态电池并不是一个新的概念,但多年来,研发上的进展并没有想象那么快速。即便能在成本上的降低,电池从实验室到最终的量产也需要时间。日韩、美国、欧洲等多个国家的固态电池技术基本都处于小容量样品电芯阶段,量产工艺不成熟,固态电池距商业化应用还有很长的路要走。

当前,如何制备出稳定性好、电导率高的电解质材料显得非常重要,采用固体电解质制备全固态电池可以从根本上解决锂离子电池现有的安全问题。为了实现固体电解质的实际应用,关键要使其满足以下方面的性能:

1、常温离子电导率应达到10-3S/cm或更高;

2、具有好的电化学和化学稳定性;

3、与电极之间相容性很好;

4、多孔的结构和高的吸液率;

5、有较好的延伸率和机械强度。

正如液态锂离子电池,在20世纪70年代,相关的理念和实验认证就在齐头并进地推进,但真正大规模的使用,已经是20世纪末了。

结语

作为未来动力电池技术的一个发展方向,我们现在可以对固态电池做一个简单对概括:

1、固态电解质相比于现今常见的电解液锂离子电池,是一种技术上的颠覆,需要设计和构建与固态电解质相匹配的电极,研究和开发出适合于固态电解质的锂离子电池新体系;

2、固态电池的量产工艺上需要很大的改进,毕竟动力电池单体注液机已经非常成熟了,而固态电解质的添加工艺还没有完全成型,量产设备不成熟;

3、在通常使用条件下,无机固态电解质的关键挑战在于体积变化、界面电荷转移电阻、灵活性和较差的循环稳定性等问题;聚合物固态电解质虽然克服了无机固体电解质的这些局限性(具有良好的灵活性并且能与电极紧密接触),但是其电化学稳定窗口小、离子电导率(室温)差。

参考文献:

电动汽车动力电池技术研究进展 黄学杰;

锂离子固体电解质的研究进展与产业化现状 合肥工业大学;

Nature子刊综述:有关锂电池化学反应中的固态电解质。

来源:第一电动网

作者:新能源带趋势

本文地址:https://www.d1ev.com/news/jishu/59009

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