
介绍
固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。固态电池一般具有低功率密度和高能量密度,是电动汽车的理想电池。
到 2030 年,锂离子电池可能不再是电动汽车电池的主流,但它们在一些电子元件中仍然占有一席之地。据估计,中国固态电池市场预计在 2025 年将达到 30 亿元人民币,到 2030 年将达到 200 亿元人民币。
发展历程
自1991年索尼将含有液体电解质的锂离子电池引入电子设备以来,液态锂电池已成为最成熟、应用最广泛的技术路线之一。
2010 年,丰田推出了续航里程超过 1000 公里的固态电池。包括 QuantumScape 和 Sakti3 在内的努力也在尝试用固态电池取代传统的液态锂电池。
加拿大公司 Avestor 也试图开发固态锂电池,最终于 2006 年申请破产。Avestor 使用聚合物隔膜来替代电池中的液体电解质,但一直没有解决安全问题,北美已经发生了几起电池起火或爆炸。
2015 年 3 月中旬,吸尘器的发明者、英国公司戴森的创始人詹姆斯·戴森 (James Dyson) 向固态电池公司 Sakti3 投资了他的第一笔 1500 万美元,该公司是一首页成立于 2007 年的电池初创公司。
2018 年 1 月,一项突破性的新型电池技术似乎终于接近现实。如果预期,这项新技术可以让手机成瘾者持续数天,并将电动汽车的续航里程增加到约 800 公里以上。这项被称为固态电池技术的新技术用陶瓷材料取代了当今电池中的液体电解质。
2018 年 1 月,它与宝马结成联盟,宝马承诺在未来 10 年内为其生产的每款产品提供某种形式的电池组件。
2021 年 1 月 9 日,蔚来汽车发布了一款全新的 150kWh 固态电池组。搭载该技术的蔚来电动汽车预计将于 2022 年第四季度交付,续航里程预计将超过 1,000 公里。
2022 年 1 月 22 日,搭载赣锋固态电池的东风 E70 示范运营车在新余市下线,首批 50 辆固态电池示范运营车正式上市。赣锋锂电二期年产10GWh新型锂电池项目第一条生产线也于当天正式投产。

原则
传统的液态锂电池也被科学首页形象地称为“摇椅电池”。摇椅的两端是电池的正负极,电解液(液体)在中间。锂离子就像一个优秀的运动员,在摇椅的两端来回奔跑。在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,完成了电池的充放电过程。
固态电池的原理是相同的,只是它的电解质是固体的,它的密度和结构允许更多的带电离子聚集在一端,传导更大的电流,并增加电池容量。因此,在相同的功率下,固态电池的体积会变小。不仅如此,由于固态电池中没有液体电解质,储存会变得更容易,当用于汽车等大型设备时,无需增加额外的冷却管、电子控制等,不仅节省了成本,还有效减轻了重量。
优势
- 光 – 高能量密度。使用全固态电解质后,锂离子电池的适用材料体系也将发生变化。核心点是,不必使用锂嵌入石墨负极,而是直接使用金属锂作为负极,可以显着减少负极材料的数量,从而显着提高整个电池的能量密度。
- 薄 – 体积小。在传统的锂离子电池中,需要隔膜和电解液,它们合计占电池体积的近 40% 和质量的 25%。而如果用固体电解质(主要是有机和无机陶瓷材料)代替,正负极(以前用隔膜电解质填充,现在用固体电解质填充)之间的距离可以缩短到只有几微米到十几微米,这样就可以大大减小电池的厚度,所以全固态电池技术是电池小型化和薄型化的必由之路。
- 灵活性的前景。即使是脆性的陶瓷材料通常也可以在亚毫米的厚度下弯曲,并且材料变得柔韧。相应地,全固态电池的柔韧性在越来越薄之后也会得到明显的提升。通过使用适当的封装材料(而不是刚性外壳),制造的电池可以承受数百到数千次弯曲,而不会显着降低其性能。
- 安全。传统锂电池可能会出现以下危险:
(1)在大电流下工作时可能会出现锂枝晶,会刺穿隔膜,造成短路损坏
(2) 电解液为有机液体,在高温下容易加剧副反应、氧化分解、气体生成和燃烧。
采用全固态电池技术,以上两个问题都可以直接解决

纠纷
“固态电池可能是电池技术的未来方向之一,但可能不是最好的。”一位新能源生产公司的技术人员表示,“包括燃料电池、超级电容器、铝空气电池、镁电池,在概念上还有很大的发展空间,到头来要看哪条路线发展得更快,更接地气。所谓脚踏实地,就是在商业化规模和成本方面可以达到完美的平衡。首先,使用的材料不能昂贵和稀有。其次,有可能实现在各个行业和领域的大规模应用。
也许,现在最考验的地方是价格,一个液态锂电池的成本大约在 200-300 美元/kWh 左右。如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池,成本将达到 15,000 美元,而足以为汽车供电的固态电池的成本将达到惊人的 9000 万美元。Sastry 表示,固态电池生产成本高的一个重要原因是生产效率低。根据 Sastry 的计划,Sakti3 最终会将电池成本降低到 100 美元/kWh,但她没有给出最后的时间。
从理论提出的时候来看,固态电池并不是一个新概念,但多年来,研发的进度并没有想象中那么快。韩国三星的一位技术人员认为,即使 Sakti3 最终能够降低成本,电池从实验室到最终量产也需要很长时间。就像液态锂电池一样,在 1970 年代,相关概念和实验认证齐头并进,但真正的大规模使用已经在 20 世纪末。