【新視野】“三明治式”固態(tài)鋰電池三分鐘充滿電，商業(yè)化還要多久？

固態(tài)電池技術(shù)迎來了突破。

近日，美國哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊開發(fā)了一種新的固態(tài)電池，該電池能夠循環(huán)10000次，有望實現(xiàn)3分鐘內(nèi)完全充電，并且可持續(xù)使用20年。

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這款固態(tài)電池使用的是純金屬形式的鋰，使用固體電極和固體電解質(zhì)，而不是鋰離子電池中的液體或聚合物凝膠電解質(zhì)。在實驗室中，電池原型能夠成功完成 5000至10000次充電循環(huán)。哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊對于固態(tài)鋰金屬電池的研究可追溯至去年5月，但彼時的技術(shù)停留在“10~20分鐘內(nèi)完全充電，10~15年的電池使用壽命”層面上。

這款電池的設(shè)計靈感來自于英式經(jīng)典三明治。如果將電池想象成三明治，首先一層是面包（鋰金屬陽極），然后是生菜（石墨涂層），接下來是一層西紅柿（第一種電解質(zhì)）和一層培根（第二種電解質(zhì)），最后是另一層西紅柿和最后一塊面包（陰極）。

研究團(tuán)隊認(rèn)為，通常其他固態(tài)設(shè)計中的鋰金屬陽極會發(fā)展出樹突狀的生長，可以逐漸通過電解質(zhì)滲透到陰極，進(jìn)而導(dǎo)致鋰離子電池短路。也就是說，鋰離子電池在使用過程中產(chǎn)生的樹突或枝晶是電池著火的根本原因。而三明治的多層結(jié)構(gòu)可防止枝晶結(jié)構(gòu)生成，在這種設(shè)計中，樹突在“生菜”和“番茄”中生長，但在“培根”處停止。“培根”屏障阻止枝晶穿過使電池短路，從而防止了故障產(chǎn)生。

“我們著手將這項技術(shù)商業(yè)化，我們的技術(shù)與其他固態(tài)電池相比是獨一無二的。在實驗室中，我們已經(jīng)在電池的使用壽命內(nèi)實現(xiàn)了5000到10000次充電循環(huán)，而現(xiàn)在即使是同類產(chǎn)品中最好的電池也需要2000到3000次充電循環(huán)，而且我們認(rèn)為擴(kuò)大電池技術(shù)沒有任何基本限制，這可能會改變游戲規(guī)則。”哈佛大學(xué)約翰 A. 保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)副教授Xin Li表示。

目前，研究團(tuán)隊成立的初創(chuàng)公司 Adden Energy宣布已獲得哈佛大學(xué)技術(shù)發(fā)展辦公室授予的獨家技術(shù)許可，用于推進(jìn)該技術(shù)的商業(yè)化，其目標(biāo)是將電池縮小為手掌大小的“軟包電池”，其組件封裝在鋁涂層薄膜中。不過，Xin Li去年在接受媒體采訪時表示，這項技術(shù)的商業(yè)化還需要數(shù)年時間，同時還面臨著許多挑戰(zhàn)。

固態(tài)電池是指采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，其具備更高的安全性和能量密度，被認(rèn)為是下一代電動車動力電池的技術(shù)方向。現(xiàn)階段，固態(tài)電池在技術(shù)指標(biāo)上領(lǐng)先于三元鋰電池。從當(dāng)前產(chǎn)業(yè)布局來看，豐田、寶馬、大眾、現(xiàn)代等多家國際車企均在固態(tài)電池領(lǐng)域進(jìn)行布局，并加大在固態(tài)電池領(lǐng)域的投資。此外，車企和電池制造商紛紛攜手攻堅克難，豐田正與松下公司合作，大眾則投資了美國電池初創(chuàng)企業(yè)QuantumScape，福特、寶馬投資了Solid Power。Solid Power的全固態(tài)電池理論上可使續(xù)航距離最高達(dá)到鋰電池的2倍，寶馬計劃于2025年之前開始對配備全固態(tài)電池的車輛進(jìn)行路測，2030年之前上市。奔馳繼與Hydro Quebec合作之后，現(xiàn)在還與Factorial Energy共同研發(fā)固態(tài)電池。

不過，目前還未看到量產(chǎn)固態(tài)電池搭載在汽車上。早在2011年，豐田就表示將在2015年至2020年推出固態(tài)電池，其認(rèn)為固態(tài)電池將完全彌補新能源汽車的續(xù)航里程難題，同時還能大力推動新能源汽車普及速度。然而，時至今日，固態(tài)電池依舊未能得以正式應(yīng)用，豐田預(yù)計2025年才將實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用，LG新能源則預(yù)計2026年實現(xiàn)全固態(tài)電池量產(chǎn)。

“對于全固態(tài)電池，目前仍存在一些技術(shù)難點。”高能時代CEO董思曉在接受第一財經(jīng)記者采訪時表示，一是電解質(zhì)的批量化、低成本化、穩(wěn)定化合成問題一直未能有效解決，二是固固界面問題導(dǎo)致的內(nèi)阻大的問題未得到解決，三是相應(yīng)的設(shè)備、工藝尚未定型。

其中，固固界面的問題分為物理層面和化學(xué)層面，在物理層面，粉體顆粒在電池充放電循環(huán)中會發(fā)生體積變大或變小，由于不含有液體，因此顆粒與顆粒之間、層與層之間容易產(chǎn)生縫隙，帶來接觸不良，影響離子和電子的傳輸，電池內(nèi)阻就會增加，在充放電過程中就會發(fā)生極化問題，導(dǎo)致倍率性能下降。在化學(xué)層面，如果硫化物電解質(zhì)材料選型不好，硫化物電解質(zhì)容易與正負(fù)極材料、導(dǎo)電劑、粘接劑材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此在電化學(xué)環(huán)境下，就會在界面上產(chǎn)生鋰離子電導(dǎo)率比較低的反應(yīng)產(chǎn)物，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，電池倍率性能降低。

業(yè)內(nèi)有一種說法是全固態(tài)電池的成本比當(dāng)前的鋰電池高4倍以上。伊維經(jīng)濟(jì)研究院研究部總經(jīng)理、中國電池產(chǎn)業(yè)研究院院長吳輝認(rèn)為，因為沒有量產(chǎn)，所以沒法去比較成本，但是現(xiàn)在這些半固態(tài)電池的成本都在1元/WH以上，而液態(tài)鋰電池電芯的成本大約現(xiàn)在0.7~0.8元/WH（以三元為主）。全固態(tài)電池量產(chǎn)時間可能在2030年左右。

中國科學(xué)院院士、中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高此前談到，材料這種事，要厚積薄發(fā)，固態(tài)電池真正投入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用大概的時間是在2025~2030年之間。

標(biāo)簽： 固態(tài)電池