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纯电动汽车的救世主 固态电池到底是什么

2021年04月14日 3819 0条评论

电池一直是纯电动车的核心部位,似乎是为了回应于特斯拉的降价,今年开年,一些新能源汽车厂家纷纷开始宣传自家的长续航动力电池,先有蔚来150kWh固态电池炒作得沸沸扬扬,后有广汽新能源石墨烯电池惨遭中科院院士打脸。

而从这几年新能源市场反馈中,里程焦虑、自燃等一系列问题困扰着大多数消费者。现在主流的液态锂离子电池的能量密度上限被公认为300Wh/kg,即便是300Wh/kg也只是理论值。事实上国产的纯电动车,能量密度目前能达到170Wh/kg、180Wh/kg就已经算最优秀的了。因此,无论三电系统再怎么调教,现阶段的新能源车的里程数都不会有更大的突破;其次,这个冬天也验证了液态锂电池(特别是磷酸铁锂)的不抗冻,在气温较低的情况下续航里程缩水30%甚至一半。另外,液态锂离子电池由于电解液的存在,电池被穿刺后,容易起火和爆炸。

新能源车什么时候可以取代燃油车,在动力电池领域市场公认一个答案是:当现有电动车的电池系统能量密度翻一倍半,从普遍的160wh/kg,到400wh/kg。而解决电池的能量密度问题,消灭里程焦虑,最后的方案是固态电池。
而且在安全性上,固态电池相较于目前的液态电解质电池有着不可燃、不挥发、不腐蚀以及不漏液等优点,即便是在高温环境下也不会发生副反应。固态电池在结构上有着更强的温度适应性,使用寿命相较于液态电池也更长。从理论上来看,固态电池可以解决绝大多数目前液体电解质电池令人头疼的问题,可以说是未来新能源汽车的救世主。

固态电池顾名思义指的就是以固体作为电解质和导电介质的电池,这种电池在原料和生产路径上都和目前普遍采用的液体电解质电池存在着巨大的差异。固态电池根据固化程度的不同可以分为半固态、准固态和全固态电池。(然而从产品的层面上来看,蔚来的固态电池实际上是半固态电池。通常是一侧电极采用固态电解质,而另一侧电极仍用液态电解质。)那么为什么固态电池会在新能源汽车领域深受追捧呢?因为固态电池相较于目前的电解液电池有着更加广阔的前景。
在能量密度方面,现有锂电池的电化学窗口比较窄,磷酸铁锂约为3.2伏,三元锂电池也仅约为3.6伏。高镍材料可以实现更高的电压,但受限于六氟磷酸锂电解液体系的限制,与高电压又不匹配。固态电池的化学窗口比较宽,可以有效匹配锂金属和高电压正极。电压越高储存的能量越多,固态电池的能量密度约为现有锂电池的2~3倍,甚至更高。
固态电池的优点虽然突出,但短板也很明显。一般来说,固体物质的离子传导率不及液体,固态电池需要在固体与固体之间传输能量,离子传导率较低是短板之一;固态电池还存在界面问题,界面之间的阻抗比较大,意味着电能在传输过程中发热损耗较大,这会降低电能的利用效率;现有的锂电池通过一系列的串并联方式把几千颗小电芯组合成电池包,这对电芯的一致性有较高的要求。目前,磷酸铁锂、三元锂电池等电池的一致性都能满足汽车动力电池的要求。固态电池的电芯不能做得太大,也需要通过串并联方式组合成电池包,同样有一致性的要求。但目前固态电池的批次稳定性较差,这给成组和BMS(电池管理系统)开发提出了较高要求。
短板不止这些,国家新能源汽车技术创新中心总经理原诚寅提到,固态电池在高温下性能表现出色,低温环境的使用却是一个挑战。崔光磊也告诉记者,该所研发的固态电池在充电时需要给电池加热,这个短板如不弥补将限制固态电池的推广使用。
随着新能源汽车的飞速发展,有着上百年历史的燃油车已经走到了生命末期,而动力电池改革是纯电动汽车替代燃油车的必要因素。汽车动力系统的变革就像是大海上的波浪,新浪终将淹没旧浪。
在目前动力电池发展还不成熟的阶段,混合动力车型将会成为纯电动汽车替代传统燃油车的过渡性产物,而固态电池很有可能突破动力电池的技术瓶颈,成为纯电动汽车替代混合动力车型的转折点,加快推进纯电动汽车完全占据汽车市场的脚步,完成纯电动汽车对混合动力汽车的革命。
其实固态电池并不是新兴物品,宁德时代和比亚迪这两家汽车动力电池巨头在固态电池上早有技术研发,而这两位巨头的固态电池目前都还处在实验室的研究阶段,如何将实验室技术研发成熟并且进行大批量生产,如何降低固态电池的高额成本,这都是巨头们亟待解决的问题。
在固态电池时代,我们能不能成为强国?
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