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什么是固態電池 到底何時可以量產?

2020-01-09 11:58:47??????點擊:
什么是固態電池 到底何時可以量產?后起之秀“固態電池”

從1991年索尼公司將含有液態電解質的鋰離子電池帶入電子設備的應用至今,液態鋰電池已經成為目前最為成熟、使用最廣泛的技術路線之一。它主要是由正極、負極、隔膜、電解液組成,鋰電子通過電解液在電池的正負極來回跑,從而完成充放電的過程。
固態電池的根本原理和液態鋰電池相似,但選用固體電解質(鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導物質)取代了隔膜和電解液。這個差別會帶來怎樣的差異?


首先是能量密度的提升。
由于能量密度提升主要受材料限制,科學界認為鋰離子電池已經接近極限了。2019年寧德時代和比亞迪推出的CTP技術和刀片電池技術都是在組成形態和系統等其他方面做文章。
事實上采用固態電解質本身并不會直接提升電池的能量密度。
液態電解液與正負極材料可以全方位、包裹式接觸,接觸面積越大電阻值越小。由于接觸面不如液體,固態電池為了獲得較低的電阻,就需要更多的電解質。
這樣一來,電池體積占比一般會高于使用液態電解質的電池,如果其他不改變的話,能量密度反而會低于液態電解質電池。
固態鋰電能量密度顯著提升的秘訣主要有兩:
(1)用鋰金屬作負極。
目前的鋰離子電池的負極,主要是用石墨制造,但石墨負極的容量上限僅為370Ah/g左右。為了增加石墨的容量,會給它加入一些硅,但這又容易引起電池鼓包。
鋰金屬的容量是石墨的三倍以上。為何現在的鋰電池不用鋰金屬呢?
因為一旦用金屬鋰當負極,充電時,在鋰離子返回負極的過程中容易產生“枝晶”問題。鋰離子會在鋰金屬表面“發芽”,小樹枝如果刺破隔膜就容易短路,然后著火。因此科研人員才選用了容量較低,但不容易讓鋰離子產生“枝晶”問題的石墨作為負極。
如果電解液變成固態電解質,鋰離子就失去了長“小樹枝”的空間,完美解決了安全問題。
打個比方,正負極這兩個大口袋裝的鋰離子越多,能量密度越大。如果傳統鋰電池像手提袋,那固態鋰電就是個麻布袋。
(2)正極材料的選擇變多。
電解質相對于電解液的另一大優勢就是,在更廣的電壓范圍內,電解質不會參與化學反應,而是客客氣氣地讓鋰離子通過。這樣就可以選擇容量更大的正極材料或是選擇電壓差更高的正負極材料,以提升能量密度。
第二個差異是安全性的提升。
傳統鋰電池如果過充或遭到撞擊,抑或是隔膜質量不好,就容易發生短路,繼而引起火災。而固態電解質具有不可燃、不腐蝕、不揮發、不漏液等優勢,安全性能大大提升。如果將它應用到電動車上,就能省掉電池包外殼、冷卻等系統,可以節約空間、減輕重量,繼而提升電動汽車的續航能力。
除此之外它還具有循環次數多、造型豐富、輕薄、柔化性能優、體積小等優點。

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