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液態(tài)電池與固態(tài)電池
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),固態(tài)鋰電池是一種使用固態(tài)電解質(zhì)的電池,而液態(tài)電池使用的是電解液。
構(gòu)造
相比液態(tài)鋰離子電池,固態(tài)鋰電池構(gòu)造簡(jiǎn)單。固態(tài)電解質(zhì)除傳導(dǎo)鋰離子,也充當(dāng)了隔膜的角色。因此,在固態(tài)鋰電池中,電解液、隔膜與粘結(jié)劑PVDF等都不需要使用。
工作原理
兩者工作原理相同。
充電時(shí),正極中的鋰離子從活性物質(zhì)的晶格中脫嵌,通過(guò)固體電解質(zhì)向負(fù)極遷移,電子通過(guò)外電路向負(fù)極遷移,兩者在負(fù)極處復(fù)合成鋰原子、合金化或嵌入到負(fù)極材料中。放電過(guò)程與充電過(guò)程相反,此時(shí)電子通過(guò)外電路驅(qū)動(dòng)電子器件。
電解質(zhì)
液態(tài)鋰電池的電解質(zhì)是液態(tài)的,而固態(tài)鋰電池主要采用固態(tài)電解質(zhì),如聚合物、無(wú)機(jī)物、復(fù)合型電解質(zhì)等。
正極材料
目前,液態(tài)鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料、磷酸鐵鋰四種。而固態(tài)鋰電池除傳統(tǒng)正極材料外,還能兼容更高電壓的氧化物正極、高容量硫化物正極等。
負(fù)極材料
石墨類碳材料一直處于負(fù)極材料的主流地位,除傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料外,固態(tài)鋰電池還在開發(fā)應(yīng)用其他高性能負(fù)極材料,包括金屬鋰負(fù)極,硅基、錫基負(fù)極以及氧化物等負(fù)極。
公開資料顯示,當(dāng)前采用三元正極材料和石墨負(fù)極材料的液態(tài)動(dòng)力鋰電的能量密度極限在280Wh/kg左右,而引入硅基復(fù)合材料替代純石墨作為負(fù)極材料,動(dòng)力鋰電的能量密度有望做到300Wh/kg以上,上限約為350Wh/kg。
液態(tài)電池仍居穩(wěn)定地位
整體來(lái)說(shuō),中國(guó)鋰離子電池發(fā)展形勢(shì)趨于穩(wěn)定,產(chǎn)業(yè)鏈也非常完整。但不可否認(rèn),液態(tài)電池正面臨產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題。
一方面,原材料漲價(jià)(去年鋰漲價(jià),今年鎢漲價(jià));另一方面,去年電池極度緊缺,在國(guó)家強(qiáng)制政策的刺激下才導(dǎo)致過(guò)剩的現(xiàn)象。
但過(guò)剩有一個(gè)好處,因?yàn)樾履茉雌嚞F(xiàn)在還依賴于補(bǔ)貼,中間過(guò)剩的狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)效的競(jìng)爭(zhēng),這將有利于行業(yè)整頓。
眼看新能源汽車的口號(hào)越喊越響,不少汽車廠商紛紛涉足電動(dòng)汽車領(lǐng)域。汽車產(chǎn)業(yè)本身的要求是安全性、可靠性,雖然液態(tài)電池的能量密度和安全性能都比液態(tài)電池好些,但未來(lái)五到十年內(nèi),固態(tài)電池(如鋰硫電池、鋰空氣電池時(shí)間)還不足夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。所以,就目前情況來(lái)說(shuō),液態(tài)電池仍處于穩(wěn)定的地位。
豐田、寶馬開始研究固態(tài)電池
目前增加電池續(xù)航能力的方法有兩個(gè):
1.像特斯拉那樣將汽車放在電池上,整個(gè)地盤都是電池。7000多節(jié)鋰離子電池帶來(lái)了400km的續(xù)航能力,但復(fù)雜的電池管理技術(shù)制約了電池組的生產(chǎn);
2.通過(guò)增加電池密度的方法來(lái)提高電池容量,這需要使用較薄的隔膜。三星Note7之所以爆炸就是因?yàn)闆]有控制好薄膜的厚度,進(jìn)而引發(fā)了電池的短路。
綜合看來(lái), 現(xiàn)有的方法都不是最佳選擇,開發(fā)新的電池技術(shù)就刻不容緩。
據(jù)悉,豐田汽車目前正在研發(fā)全固態(tài)電池提供動(dòng)力的電動(dòng)汽車,該電池不僅能提升汽車?yán)m(xù)航能力,還具備更快的充電速度。當(dāng)然,目前許多廠商已經(jīng)開始銷售新能源汽車,豐田也不會(huì)苦等固態(tài)電池。豐田打算先基于C-HR車型打造一款采用鋰離子電池的電動(dòng)汽車,該車將于2019年在中國(guó)量產(chǎn)并銷售。
其實(shí)不僅僅是豐田,寶馬等知名車企都在全力研發(fā)固態(tài)電池。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,5-10年的時(shí)間有希望迎來(lái)電池技術(shù)的全面革新。
固態(tài)電池,刻不容緩!
7月27日,英國(guó)宣布將于2040年停止銷售汽油和柴油汽車,以此來(lái)減少空氣污染。據(jù)悉,不止是英國(guó),挪威、荷蘭將于2025年禁止銷售燃油車,德國(guó)、比利時(shí)則分別于2030年和2040廢止燃油車。所以,到2050年,整個(gè)歐盟國(guó)家在路上的跑車大概都是新能源汽車了。
我國(guó)又是如何呢?根據(jù)我國(guó)的發(fā)展規(guī)劃,2020年汽車產(chǎn)銷量大概是三千萬(wàn)輛,新能源汽車二百萬(wàn)輛;2025年,汽車產(chǎn)銷量大概是3500萬(wàn)輛,新能源汽車生產(chǎn)700萬(wàn),占20%。
沒有對(duì)比就沒有傷害,看看這差距!
另外,就目前水平來(lái)說(shuō),液體電解質(zhì)電池能量密度約為300瓦時(shí)每公斤,而且不會(huì)超過(guò)500瓦時(shí)每公斤。2015年,博士公司做了一個(gè)預(yù)判,能量密度是現(xiàn)有產(chǎn)品的兩倍以上,成本更低,一輛用液態(tài)電池只行駛100邁,用固體電池后可行駛200邁。
除此之外,鋰電安全一直都是行業(yè)關(guān)心的問(wèn)題。由于應(yīng)用端及政策層面對(duì)能量密度的要求不斷提升,三元電池成為主流技術(shù)路線的趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)。但時(shí)至今日,困擾三元電池的安全性仍然沒有得到很好的解決。
面對(duì)行業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn),行業(yè)專家、企業(yè)都在不斷尋找新的發(fā)展思路,電解液就是其中一個(gè)思路。
電池內(nèi)部構(gòu)造
眾所周知,電解液是鋰離子電池不可或缺的重要組成部分,是鋰離子電池獲得高電壓、高循環(huán)性能等優(yōu)點(diǎn)的必備條件。鋰離子電池通常采用有機(jī)溶劑作為電解液,而這類有機(jī)溶劑極易燃燒,電池一旦由于內(nèi)短路產(chǎn)生高溫或者火花,電解液將在瞬間被點(diǎn)燃并導(dǎo)致整個(gè)電池發(fā)生爆炸。
新的思路是,將易燃的液態(tài)電解液變成固態(tài)電解質(zhì),降低因?yàn)橐兹级鴮?dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也能獲得更好的性能。隨著新能源汽車的發(fā)展,高能量密度、高安全性電池成為市場(chǎng)的必爭(zhēng)目標(biāo)。有專家認(rèn)為,利用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)電解質(zhì)是從本質(zhì)上提升鋰電池安全性的必由之路。