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動力鋰電池新領域,為何日本要大力發展固態電池?

鉅大LARGE  |  點擊量:947次  |  2020年02月24日  

汽車與電動化的結合,成為近些年汽車行業的大潮。身處在變革的時代,從認識之初便知道汽車是由內燃機驅動,習慣了與燃油、內燃機打交道的我們,面對純電動汽車的面世與大力推廣,產生負面甚至抵觸情緒是自然不過的事。當然,有一部分領先技術愛好者,更愿意為新技術買單。


但關于普通消費者,純電動汽車要代替燃油汽車作為生活中重要的出行還是有段距離,至少在充電時間的部分就難以與燃油車加油的時間長度相媲美,假如技術的發展能在如鉅大鋰電今充電時間的基礎上再進行縮短,消費者的接受程度應該會高不少。最近,就有外媒報道日本在固態電池方面發力,三元鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池我們聽的多,為何日本會選擇固態電池作為發力的方向呢?


原理大不同


如今多數純電動汽車,采用的電池組是以鋰離子電池為主,其中的結構是充滿在電池內部的電解液。電解液是鋰離子來回移動的通道,鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等量電子的嵌入和脫離。在充放電過程中,鋰離子在正、負極之間往返嵌入與脫離嵌入的循環。


而當電池在充電時,正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。


固態電池的固態,指的是電池內部所使用的不再是電解液,而是采用固態電解質的同時還能減少電池內部的隔離層。


優勢所在


之所以固態電池開始被重視,很大一部分的原因是由其內核所引起。一般來說,常見的鋰離子電池是以石墨為原材料,石墨的理論比容量僅為372mAh/g,遠遠無法滿足高比能鋰離子電池的需求。固態的電解質則能以金屬Li作為負極,其理論比容量可達3860mAh/g,是一種理想的高比能電池負極材料。理論比容量更高的時候,可以令電池的能量密度提升。


提高了能量密度之后,最大的好處便是實現相同電池容量單位體積的縮減。換句話說,就是電池包的容量不變,但整個的體積可以得到縮減。并且,少了傳統鋰離子電池當中的隔離層和電解液,不但減少40%的體積和25%的質量,還鋰離子電池能將正負極之間的距離減少至幾微米甚至十幾個微米,為鋰離子電池的輕薄化發展供應了技術的基礎。


除此以外,安全性也因為電解質的變化而得到進步。研究表明液態電解質的鋰離子電池在90℃左右就開始發生自放熱反應,并在178℃左右引起了電池熱失控,而采用固態電解質的Li/LFP電池自放熱溫度提高到了247℃以上,并且整個過程未發生熱失控。


短板的突破


但固態電池在現階段的短板,讓其仍未能大規模使用在新能源車之上。首先是成本問題,以如今的水平推算,小規模生產的成本大概在750-2鋰離子電池500美元/每千瓦時,整個市場至少要達到1億個/年的水平,每千瓦時的單價才會下降至75-240美元的區間。


其次是固態電池本身,由于正極制作材料以過渡金屬氧化物顆粒,正負極之間以固界面的方式接觸,其接觸面積小使得界面阻抗大,從而影響電池的充電速度和循環壽命、倍率性能差等問題的出現。


而且固態電解質材料限制大,電池整體阻抗和倍率性能低。固體電解質是固態電池的核心,目前應用的固態電解質有三種體系:聚合物、氧化物、硫化物。這三種固態電解質材料共同的缺點是:低離子電導率。低離子電導率會阻礙鋰離子在電池正負極之間的運動,導致鋰離子傳輸速度和效率降低,在高倍率大電流下運動能力變差,電池能量密度和功率密度都將下降。


點評:


作為全鋰離子電池廠家球最大的汽車市場和新能源汽車市場,我國的純電動汽車發展誠然離不開政策的鼓勵和引導,在市場發展倒逼電池技術更新迭代的思路下,國內的電池技術得到了發展并超越其它國家的水平,加之國內擁有全球最大的動力鋰電池供應商、其它國家的電池供應商也獲得準入資格后,日本的電池公司明顯是錯過了在國內的發展時機,這才是為何日本轉而研發固態電池的重要原因。


盡早開始研發固態電池技術,掌握核心的技術并注冊專利,既能推出市場銷售并且形成技術壁壘。但不論如何變化,得益的依然是新能源汽車的買家和使用者,只有更多的用戶選擇新能源汽車,降低汽車排放污染的成果才會呈現出應有的成果。


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