風口上的固態(tài)電池，該潑一盆冷水

時間:2022-05-11 11:10來源:品玩 作者:JimmyMa
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       被視為下一代電池的“固態(tài)電池”，可能在近5-10年內都無法大規(guī)模量產應用。
 
       固態(tài)電池是一種使用固態(tài)電極與電解質的電池，相較于鋰離子電池而言具有更高的能量密度，同時更加安全。因此更加適合電動汽車使用，被視為電動汽車的“救星”，在新能源車逐漸升溫的今天，固態(tài)電池同樣備受資本關注，并獲得大量投資。
 
       即便是站在風口上，固態(tài)電池的實際情況可能并沒那么樂觀。近日，專注新能源、電動汽車等領域的韓國研究機構SNE發(fā)表了一篇文章，也給固態(tài)電池的量產落地潑了一盆冷水。
圖源：SNE官網(wǎng)
 
       SNE公司在今年的“下一代電池研討會”（Next Generation Battery Seminar (NGBS)）上，對全固態(tài)電池展開了討論。該公司認為，依目前的情況來看，全固態(tài)電池的產業(yè)化還存在諸多問題，可能在2030年前都很難實現(xiàn)大規(guī)模量產。
 
       SNE首先指出了固態(tài)電解質在技術層面存在的問題。全固態(tài)電池如果從電解質的角度來分類，大致可分為硫化物基、氧化物基和聚合物基三類，然而每一類電解質都存在著不同的技術問題。
 
       硫化物基電解質具有較好的離子電導率，但化學穩(wěn)定性較差，在潮濕環(huán)境下易與空氣中的水和氧氣發(fā)生反應，產生有毒氣體硫化氫。
 
       氧化物基電解質雖然在空氣中具有更好的穩(wěn)定性，但對制造工藝要求很高，需進行高溫燒結陶瓷工藝生產，這種制造方法能耗高且耗時長，且超薄固體電解質片的形式，在批量生產上更是十分困難。
 
       而聚合物基電解質相對與其他兩種電解質材料而言要容易制造的多，但問題在于，這類電解質在室溫下只能提供10-7S/cm離子電導率，甚至遠低于液態(tài)電解質10-3S/cm的常規(guī)離子電導率。此外，聚合物基電解質的耐高壓型也較差，只能適配磷酸鐵鋰陰級，限制了應用聚合物基電解質電池的能量密度。
 
       其次，SNE則指出了全固態(tài)電池的另一大痛點——成本。全固態(tài)電池的成本高昂，主要受限于兩點，第一是原材料的成本問題，例如鋰硫化物的價格是碳酸鋰的5-10倍左右；第二則是全固態(tài)電池對于生產環(huán)境與原材料純度的要求極高，導致對于生產設備的投資較高。
 
       因此，基于目前的情況來說，SNE預計全固態(tài)電池的成本至少是鋰離子電池的兩倍。這對于本就尋求進一步降低成本的電動汽車而言，倒像是在做背道而馳的事。此外，之前提到的氧化物基與硫化物基電解質均為易碎陶瓷材料，批量生產大尺寸的電解質薄膜可能存在困難，因此全固態(tài)電池的量產初期或只能小規(guī)模生產，用于一些對于成本容忍度更高的領域。
圖源：Solid Power
 
       很明顯，全固態(tài)電池的量產與應用離我們還很遠。但也有不少車企與電池企業(yè)提出近期就能將固態(tài)電池量產并應用。
 
       事實上，這些企業(yè)提到的“固態(tài)電池”指的并不是真正的全固態(tài)電池，而是一種過渡方案——半固態(tài)電池。不過SNE更是“不留情面”的指出了半固態(tài)電池的問題。半固態(tài)電池并不能提高電池的安全性，因為對于絕大多數(shù)的半固態(tài)電池而言，固態(tài)電解質僅僅涂抹在電極或隔膜的表面，但電池依然依賴于液態(tài)電解質來進行鋰離子交換，這就意味著半固態(tài)電池同樣存在由液態(tài)電解質所引起的漏液、熱失控等安全風險。
 
       最終，需要思考一個問題，我們?yōu)槭裁葱枰虘B(tài)電池？普遍來說，全固態(tài)電池更重要的意義在于，能帶來更高的能量密度。但針對這一觀點，SNE依舊給出了不同的觀點。其認為全固態(tài)電池如果想要提高能量密度，關鍵在于用鋰金屬負極代替石墨負極，而不是電解質的材料。這樣一來，固態(tài)電解質反而存在劣勢，因為固態(tài)電解質本身比液態(tài)電解質及隔膜厚數(shù)倍，勢必對電池能量密度造成負面影響。因此如果能夠應用鋰金屬負極，才是決定電池能量密度的關鍵。
圖源：SAMSUNG SDI
 
       電池負極材料的研究也是目前的關鍵之一，并且擁有使用鋰金屬、硅等材料代替石墨負極的多種技術路線。以硅負極為例，采用這種負極的鋰電池能量密度可翻數(shù)倍，但同樣存在問題，硅材料在發(fā)生反應時體積會嚴重膨脹與收縮，會影響電池的安全與使用壽命。
 
       因此，在能量密度這件事上，可以說全固態(tài)電池與此前的鋰電池同樣面對負極材料的難題不說，如果負極材料的難題得以解決，全固態(tài)電池反而還失去了優(yōu)勢。
 
       那么全固態(tài)電池是不是只有安全一個優(yōu)勢了？SNE指出，隨著技術的逐漸進步，液態(tài)電解質同樣變得越來越安全。同時，如果應用于未來的鋰金屬電池，采用液態(tài)電解質同樣能實現(xiàn)電池性能的全面提升。更重要的是，如果鋰金屬電池應用液態(tài)電解質，則完全可以基于現(xiàn)有的產業(yè)鏈開發(fā)，該產業(yè)鏈已具備實現(xiàn)量產化的堅實基礎。
 
       文章的最后，SNE總結道，與其過度炒作全固態(tài)電池，不如更多的關注即將到來的鋰金屬電池，其同樣具備高能量密度的優(yōu)勢，以推動電動化的發(fā)展。

       *封面圖來源于：Solid Power
 
(責任編輯：子蕊)
文章標簽： 固態(tài)電池
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