目前氧化物体系进展最快,硫化物体系紧随其后,高能聚合物体系仍处于实验室研究阶段,硫化物和聚合物体系都已取得长足进展。氧化物的综合发展性较为均衡,其他两种的电解质均存在高成本或研发难度大等问题,不能达到大规模生产应用的要求。
展望固态电池未来发展趋势,技术上步步为营,采用逐步颠覆策略,液态电解质含量逐步下降,全固态电池是最终形态。依据电解质分类,锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类,其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池,区别在于所包含的液体电解质质量。
其中,半固态电池的液体电解质质量百分比小于10%,准固态电池液体电解质质量百分比小于5%,而全固态不含有任何液体电解质,其电解质材料为固态。现阶段电池体系包含部分液态电解质以取长补短,逐渐减少液体的使用,从半固态电池到准固态电池,最终迈向无液体的全固态电池。
固态电池“三步走”路线图
固态电池的迭代过程中,液态电解质含量将从20wt%降至0wt%,电池负极逐步替换成金属锂片,电池能量密度有望提升至500Wh/kg,电池工作温度范围扩大三倍以上。预计在2025年前后,半固态电池可以实现量产,2030年前后实现全固态电池的商业化应用。
目前在全球范围内,全固态电池主要处于研发和试制阶段。从液态电池到固态电池,首先会面临电解质材料的变更,进而带来工艺上的转变。目前日韩和欧美等海外企业更倾向于硫化物技术路线,致力于全固态电池的开发,产业化进程相对缓慢;而国内企业多数选择氧化物技术路线,研发的产品多为半固态电池。
全球汽车制造商之所以热衷于开发全固态电池,是因为消费者对里程的需求依然强劲。材料技术、制备技术不够成熟、生产成本过高,成为制约全固态电池产业化的主要因素。行业普遍认为,全固态电池距离大规模产业化至少还需5年时间。正因如此,半固态电池成为公认的更利于产业化的技术路线,而全固态电池极有可能成为电动汽车市场爆发式增长的催化剂。
固态电池产业化仍需时间
目前,全球都在加快固态电池的研发,在固态电池正是量产之前,还有几个关键技术问题亟待攻克。例如,固态电池的低电导率和高界面阻抗,让锂离子在电池内部传输效率过低,影响了电池的快充能力和循环寿命,同时也无法让电池的容量正常释放。
· 固态电解质的离子电导率偏低。所谓离子电导率指的是锂离子在电解质内移动的顺畅情况。固态电池的电导率普遍低于液态离子电导率,比如聚合物电解质,其离子电导率甚至比液态离子电导率差了多个数量级。
· 固体电解质与电极间的界面阻抗较大。传统液态电解质与正负极之间是固液接触,界面润湿性良好,可以说是“严丝合缝”,界面之间不会产生大的阻抗。但是固态电解质和正负极是固固接触,接触效果差了一大截,所以锂离子在界面之间的传输阻力更大。
此外在固态电池中,除了电解质和电极之间的界面,电极内部还存在复杂的多级界面,电化学以及形变等因素都会导致接触失效影响电池性能。长期使用时稳定性不理想也是长寿命储能固态电池发展的瓶颈。固态电池在服役过程中结构与界面会随时间发生退化,但退化对电池综合性能的影响机制尚不明确,难以实现长效应用。
而构建高性能固态电池需要从两方面入手,一是构建高性能的固态电解质,二是提高界面的相容性和稳定性。目前,可以通过两个手段解决这一问题:第一个是加强材料的处理能力,让界面越来越完整,接触越来越充分;第二则是在材料选择过程中,根据不同类型的材料,结合不同的材料体系、物理性能做复合,最终形成一种复合材料,其中,有无机的材料部分更多为了弥合界面的接触,无机的材料部分主力传导离子。