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一文详细了解固态电池!
作者: 来源: 发布时间:2024-04-12 11:28:23 阅读次数:1003

目前传统液态锂电池的能量密度已经接近350Wh/kg的理论极限,同时仍存在电池热失控等安全隐患。随着新能源汽车市场容量快速扩大,动力电池对于高能量密度与高安全性的迫切需求推动着固态电池的发展。


固态电池的发展路径大致可分为半固态、准固态、全固态等阶段,目前由于受到材料技术、制备技术还不够成熟,生产成本过高等因素的制约,全固态电池产业化还需要时间。半固态电池成为很好的过渡技术。


2023年国内半固态电池出货量突破GWh级别,2024年将开启规模化量产装车。未来随着固态电池技术不断进步,成本逐渐呈下降趋势,尤其是国内半固态电池产业化进程已开启,固态电池的市场规模将得以快速增长。


1. 行业概述


1、固态电池的概念


固态电池是一种使用固态电解质取代传统锂离子电池中电解液的新型电池。传统液态锂电池主要由正极、负极、电解液和隔膜四大关键要素组成。固态电池使用固态电解质替换传统液态锂电池中的电解液。


固态电池的工作原理与传统液态锂电池的原理相通。传统液态锂电池的两端为电池的正负两极,中间为液态电解质。在锂离子从正极到负极再到正极的来回移动过程中,电池的充放电过程便完成了。固态电池的工作原理与之相通,充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌,通过固态电解质向负极迁移,电子通过外电路向负极迁移,两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中;放电过程与充电过程恰好相反。


采用固态电解质代替液体电解质,有望使用更高比容量的正、负极材料,同时可彻底解决电池的安全性问题,是获得高能量密度、安全性和长循环寿命的全固态锂电池的根本途径。因此固态电池将会是锂离子电池升级的方向。


    


2、固态电池的优势


固态电池具有高能量密度和高安全性的显著优势,成为下一代高性能锂电池。从性能对比来看,理论上,固态电池在离子电导率、能量密度、耐高压、耐高温、循环寿命等各项指标均优于液态电池,兼顾了传统液态锂电池无法兼顾的高能量密度和高安全特性,成为电动汽车的理想电池。固态电池的优势,主要体现在:


(1)高安全性


液态锂电池易受热失控。过度充电、撞击、短路、泡水等因素会导致电池热失控风险上升,上升至90°C时负极表面SEI膜开始分解,嵌锂碳直接暴露于电解液并反应放热、产生大量可燃气体,进而融化隔膜形成内短路;温度上升至200°C后促进电解液气化分解,电池发生剧烈燃烧及爆炸。


相对液态锂电池,固态电池则具有五大安全特性。1)固态电解质具有高机械强度,可抑制锂枝晶生长,不易造成短路。2)不易燃烧、不易爆炸。3)无持续界面副反应。4)无电解液泄漏、干涸问题。5)高温寿命不受影响或更好。



(2)高能量密度


传统液态电池的能量密度已经接近350Wh/kg的理论极限。固态电池的电化学窗口宽,能够承受更高的电压(5V以上),材料可选择的范围更广。由于电池能量密度等于工作电压乘比容量,而电池总体比容量遵循木桶效应,受限于正负极中较低的一极。


目前固态电池中,石墨负极比容量为372mA•h/g,硅基负极理论比容量为4200mA•h/g,锂金属负极理论比容量为3860mA•h/g,都显著高于正极。因此正极材料成为锂离子电池性能进一步提升的主要瓶颈。而全固态电解质不仅能够兼容上述高比容量负极材料与常规正极材料体系,还可匹配高比容量的正极材料,使得能量密度达到500Wh/kg甚至更高。



    


(3)宽温区运行


传统液态电池工作温度范围较小。在低温条件下,液态电池因电解液粘度增大,电导率降低、电解液/电极界面阻抗和电荷转移阻抗增大、锂离子迁移速率降低等原因导致性能下降。此外液态电池在高温条件下受限于电解液闪点低、隔膜融化温度低,存在燃烧风险。


固态电解质电池则不存在电解质低温凝固问题,同时高温状态受影响小、安全性高,因而具有更大工作温度范围,可达-40°C~150°C,显著优于液态电池。



(4)体积小


传统液态电池需要使用隔膜和电解液,二者占据了电池中近40%的体积和25%的质量。固态电池使用固态电解质取代液态电池的隔膜和电解液,正负极之间的距离可以缩短到只有几到十几个微米,从而大幅降低电池的厚度。因此,同样的电量,固态电池的体积将变得更小。


3、固态电池发展路径


随着液态电解质含量逐步下降,固态电池的发展路径大致可以分为半固态(5-10wt%)、准固态(0-5wt%)、全固态(0wt%)等阶段,其中半固态、准固态使用的电解质均为混合固液电解质。


目前在全球范围内,全固态电池主要处于研发和试制阶段。目前制约全固态电池产业化的主要局限在于:材料技术、制备技术还不够成熟,生产成本过高。行业普遍认为全固态电池距离大规模产业化至少还需5年时间。


在全固态电池正式进入商业化阶段之前,半固态电池或许是很好的过渡技术解决方案。半固态电池使用的是固液混合电解质,电池中电解液的含量占比在5-10%之间,增加涂覆固态电解质,其电化学原理与液态锂电池相同,基本可以沿用现有成熟的电池制造工艺,生产难度小于固态电池。


而相比于传统液态锂电池,半固态电池在性能上有了大幅提升,其优点包括安全性较好、能量密度较高、灵活性更好、循环寿命更长、工作温度范围更宽、耐挤压和耐震动等。因此,半固态电池成为液态电池向全固态电池转型的过渡技术。2023年已有多家企业进行半固态电池的产能建设,半固态电池量产在即,将逐渐进入商业化阶段。