图2:固态电池构型1结构
朱高龙博士指出,这看上去跟液态电池没有什么区别,但其实里面有很多know-how,主要在材料的选型、间隔设计,以及材料配方方面体现出来。
图3:固态电池构型1的特点
图4:固态电池构型2遇到的技术关键点
图5:半固态电池现有研发水平及待攻关的关键技术
在2015年时,法国的电池制造商Bollore生产出来了聚合物电解质固态电池。从以前的开发经验来看,Bollore公司其实用的是聚合物电解质,聚合物电解质在60℃时,会软化,类似于果冻或者胶态的性质。这种情况下与正负极的界面接触得很好,本身在60℃下,本身有比较高的离子导率,这样就会形成一个类似于液态电池的一个状况。就是有良好的接触,特别是电极与活性材料,电极与电解质之间有一个很好的接触。这样保证了离子定向输运的快速,高效地运行,从而实现在整车上的应用。
构型4最主要的缺陷有两点,一是聚合物电解质需要在高温下运行,难以匹配高电压的正极材料,比如说三元,高镍的一些正极材料;二是聚合物电解质软化之后,具备了一定的流动性,是否还安全也存在一些疑问;三是在高温下运行,会浪费一部分的能量;四是离子导率提升不了;五是在常温下是固态的,会存在固态电解质与正负极固固接触比较困难,特别是聚合物还有一定的弹性,会导致离子穿过负极,到达电解质膜时,阻抗会变得很大。也就是说除了高离子导率问题,还有固固接触的问题。这就是为什么固态电池的发展路线会从半固态逐渐过渡到全固态。有两个方面的原因,一是聚合物的半固态,离子导率非常难以提升,后续如果要做成全固态,还是会面临固固接触的问题。二是聚合物的物质,它的热稳定性,还是没有全固态热稳定性高。全固态电池构型5第5种类型,就是固态电池的终极目标------全固态电池,就是里面完全排除了电解液的使用。正极和负极内也是固态电解质来进行离子输运,这会使得安全性大幅提升,同时,负极可以使用金属锂,整体提高电池的能量密度。
新闻报道里常说的固态电池具有高能量密度,其实不是因为固态电池本身的能量密度高,而是因为固态电池可以匹配这种高比能的新型正负极材料。才能够把固态电池的能量密度做进一步的提升。如果常规下,跟液态电池一样使用同样的石墨负极,正极有磷酸铁锂,或者三元材料的话,其他成分都不变,只是把电解液和隔膜换成固态,其实能量密度是降低的。
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