鋰電池作為新能源界的“老人”,，自1991年索尼將其帶入電子設(shè)備以來(lái)就一直備受關(guān)注,，液態(tài)鋰電池發(fā)展至今已經(jīng)成為了技術(shù)比較成熟,、應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)路線之一,。與之相對(duì)的,，液態(tài)鋰電池的天花板也來(lái)越接近了,，不管是磷酸鐵鋰，還是三元電池,，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,，可提升空間終究會(huì)不斷減少。
傳統(tǒng)液態(tài)鋰電終有天花板
傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池又被科學(xué)家們形象的稱為“搖椅式電池”,，搖椅的兩端為電池的正負(fù)兩極,，中間為電解質(zhì)（液態(tài)）。鋰離子就像優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員,，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑,，在鋰離子從正極到負(fù)極再到正極的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電池的充放電便完成了,。
（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）
能量密度是動(dòng)力電池性能的第一標(biāo)準(zhǔn),，隨著我國(guó)的政策轉(zhuǎn)換，對(duì)于動(dòng)力電池的能量密度要求也有了明確規(guī)定,，政策終點(diǎn)也從能量密度,，向安全性轉(zhuǎn)移，兼顧安全與能量密度的電池技術(shù)還未能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),，但傳統(tǒng)液態(tài)鋰電不會(huì)是動(dòng)力電池技術(shù)的終點(diǎn),。
固態(tài)電池開(kāi)啟新篇章
在固態(tài)離子學(xué)中，固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池,。固態(tài)電池一般功率密度較低,，能量密度較高，所以是電動(dòng)汽車的理想電池,。在2020年,，固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)有望取得突破性進(jìn)展，在成本,、能量密度和生產(chǎn)過(guò)程等方面進(jìn)一步趕超鋰離子電池技術(shù),。
固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)
固態(tài)電池的電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端,，傳導(dǎo)更大的電流,，進(jìn)而提升電池容量。因此,，同樣的電量,，固態(tài)電池體積將變得更小。不僅如此,，固態(tài)電池中由于沒(méi)有電解液,，封存將會(huì)變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時(shí),，也不需要再額外增加冷卻管,、電子控件等,，不僅節(jié)約了成本，還減輕了重量,。
（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）
傳統(tǒng)鋰離子電池中,，需要使用隔膜和電解液，他們加起來(lái)占據(jù)了電池近40%的體積和25%的質(zhì)量,。而固態(tài)電解質(zhì)可以將正負(fù)極間距縮短到甚至只有幾到十幾個(gè)微米,，這樣電池的厚度就能大大地降低，因此全固體電池技術(shù)是電池小型化,，薄膜化的必經(jīng)之路。
傳統(tǒng)鋰電可能會(huì)發(fā)生因?yàn)楣ぷ麟娏鬟^(guò)大而出現(xiàn)鋰枝晶,，從而刺破隔膜導(dǎo)致短路,；電解液為有機(jī)液體，在高溫下發(fā)生副反應(yīng),、氧化分解,、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會(huì)加劇,。采用固態(tài)電池技術(shù),，可以有效避免這兩個(gè)問(wèn)題，從而電池的安全性得到極大提高,。
發(fā)展前景
固態(tài)電池也被廣泛期待成為下一代動(dòng)力電池,，在過(guò)去十年，相關(guān)專利數(shù)量增長(zhǎng)超過(guò)10倍,。但由于固態(tài)電池技術(shù)尚未成熟,，距離大規(guī)模量產(chǎn)還有較大距離。預(yù)計(jì)在2025年前后,，半固態(tài)電池可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),，2030年前后實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。
固態(tài)電池潛力巨大,，有希望獲得安全性更高,、單體能量密度更高（>350Wh/kg）和壽命更長(zhǎng)（>5000次）的動(dòng)力電池。在固態(tài)電池的迭代過(guò)程中,，液態(tài)電解質(zhì)含量將從20wt%降至0wt%,，電池負(fù)極逐步替換成金屬鋰片，電池能量密度有望提升至500Wh/kg,，電池的工作溫度范圍擴(kuò)大至三倍以上,。
固態(tài)電池憑借高能量密度和高安全性的優(yōu)勢(shì)已獲得很多企業(yè)的青睞和布局�,？v覽全球固態(tài)電池企業(yè),，有初創(chuàng)公司，也不乏國(guó)際廠商，企業(yè)之間獨(dú)踞山頭信仰不同的電解質(zhì)體系,，還未出現(xiàn)技術(shù)流動(dòng)或融合的態(tài)勢(shì),。
日本的豐田、松下,，韓國(guó)的三星和LG化學(xué),，中國(guó)的寧德時(shí)代、衛(wèi)藍(lán)新能源,、清陶,、贛鋒鋰業(yè)、輝能科技,，歐洲的STMicroelectrionics,，美洲的Solid Power、QuantumScape,、SolidEnergy,、Ionic Material等諸多企業(yè)紛紛布局。歐美企業(yè)偏好氧化物與聚合物體系,，而日韓企業(yè)則更多致力于解決硫化物體系的產(chǎn)業(yè)化難題,，其中以豐田、三星等巨頭為代表,。豐田在2010年就推出硫化物固態(tài)電池,，2014年其實(shí)驗(yàn)原型能量密度達(dá)到400Wh/kg，豐田固態(tài)電池的專利數(shù)量在2017年初就已經(jīng)達(dá)到30件,，遠(yuǎn)高于其他企業(yè),。中國(guó)則是多頭并發(fā)，聚合物,、氧化物,、硫化物各個(gè)方向都有帶頭企業(yè)，一片欣欣向榮,。
政策驅(qū)動(dòng)
面對(duì)如火如荼的固態(tài)電池“競(jìng)技場(chǎng)”,，中國(guó)顯然搶到了參賽的入場(chǎng)券。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》規(guī)劃中明確提出了對(duì)單體動(dòng)力電池比能量的戰(zhàn)略布局,，高比能,、高安全、長(zhǎng)壽命和低成本固態(tài)鋰離子電池,，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)新能源汽車“純電驅(qū)動(dòng)”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的關(guān)鍵和重要支撐,。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu),、高校,，以及近年來(lái)隨國(guó)家政策而創(chuàng)建的優(yōu)勢(shì)電池材料企業(yè),，在固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電池研究方面已取得了系列研究成果。同時(shí),，贛鋒鋰業(yè)和寧德時(shí)代都將全固態(tài)鋰電池作為下一代高性能動(dòng)力電池的研發(fā)重點(diǎn),。
“總體看固態(tài)電池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài),、半固態(tài),、固液混合、固態(tài)最后到全固態(tài),。負(fù)極會(huì)從石墨負(fù)極,，到硅碳負(fù)極，最后有可能到金屬鋰負(fù)極,，但是目前還存在技術(shù)不確定性,。”中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高近日分析指出,，“到2030年，希望在電解質(zhì)方面取得突破,，全固態(tài)電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)業(yè)化,，電池單體比能量有望沖擊500Wh/kg。2030年,，常規(guī)車型的續(xù)航里程應(yīng)該可以達(dá)到500km以上,。”
目前,，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì),、科技部和工信部都已將固態(tài)電池的研發(fā)列為重點(diǎn)專項(xiàng)，隨著更多新型固態(tài)電解質(zhì)材料的發(fā)展和全固態(tài)鋰電池反應(yīng)機(jī)制研究的逐步深入,，固態(tài)電解質(zhì)性能有望得到持續(xù)改善,。
爭(zhēng)議
固態(tài)電池可能是未來(lái)電池技術(shù)的發(fā)展方向之一，但可能不是最好的,。在目前新能源界百花齊放的背景下,，包括燃料電池、超級(jí)電容器,、鋁空氣電池,、鎂電池在理念上都有較大的發(fā)展空間，而最終,，要看那種路線發(fā)展更快,，能在商業(yè)化規(guī)模和成本方面找到平衡點(diǎn)。首先,，使用的材料不能是高成本稀有金屬,，其次,，要在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的可能也非一日之功。
參考資料：
華創(chuàng)證券.固態(tài)電池行業(yè)深度報(bào)告：固態(tài)電池——后鋰電時(shí)代必經(jīng)之路.
電子發(fā)燒友. 固態(tài)電池發(fā)展現(xiàn)狀_固態(tài)電池發(fā)展前景.
周維和. 全固態(tài)鋰電池研究進(jìn)展探討.
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星屑）
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