了解全固态电池以及它的优缺点!

新威研选
2021.11.01 18:02:00

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1、什么是固态电池?

固态电池是一种电池技术,与目前主流使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池最大的区别在于,固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。而锂离子电池和锂离子聚合物电池则使用了液体电解质。

固态电池被业界认为是下一代动力电池的方案之一,固态锂电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质,取代以往锂电池的电解液,大大提升锂电池的能量密度以及安全性。在固态离子学中,固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。固态电池一般功率密度较低,能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高,容易造出高续航表现,所以它是未来电动汽车的理想动力电池。

科学界认为锂离子电池性能已接近极限,未来可提升改进的空间不大。为了满足消费市场对高续航能力的电动车以及高安全性的需求,固态电池技术路线近年被视为最佳动力电池方案之一。


2、电池原理

传统的液态锂电池又被科学家们形象地称为“摇椅式电池”,摇椅的两端为电池的正负两极,中间为电解质(液态)。而锂离子就像优秀的运动员,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,电池的充放电过程便完成了。


固态电池的原理与之相同,只不过其电解质为固态,具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。因此,同样的电量,固态电池体积将变得更小。不仅如此,固态电池中由于没有电解液,封存将会变得更加容易,在汽车等大型设备上使用时,也不需要再额外增加冷却管、电子控件等,不仅节约了成本,还能有效减轻重量。


3、固态电池的优势

能量密度高

使用了全固态电解质后,锂离子电池的适用材料体系也会发生改变,其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以明显减轻负极材料的用量,使得整个电池的能量密度有明显提高。

电池体积小

传统锂离子电池中,需要使用隔膜和电解液,它们加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代(主要有有机和无机陶瓷材料两个体系),正负极之间的距离(传统上由隔膜电解液填充,现在由固态电解质填充)可以缩短到甚至只有几到十几个微米,这样电池的厚度就能大大地降低——因此全固态电池技术是电池小型化,薄膜化的必经之路。


电池柔性度高

即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米级以下后经常是可以弯曲的,材料会变得有柔性。相应的,全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有明显的提高,通过使用适当的封装材料(不能是刚性的外壳),制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。


高安全性

传统锂电池可能发生以下危险:(1) 在大电流下工作有可能出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致短路破坏 (2)电解液为有机液体,在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。采用全固态电池技术,以上两点问题就可以直接得到解决。


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4、固态电池缺点或目前技术难点


固态电池生产效率较低,未达到大规模量产程度。造成电池生产成本高,缺乏有效的电解质材料系统。当前,固态电池材料发展迅速,但是相对缺乏全面的应用。作为固态电池的核心材料,固态锂离子导体的单指数已取得突破,但整体性能尚不能满足大规模储能的需求。


目前业界认为短期内实现全固态电池商业化应用不太可能,按目前研发投入和技术发展,至少要3-5年时间才能达到规模量产阶段。电池材料、生产设备、制造工艺需要全面配套发展,才能实现全固态电池商业化。


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