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从梦想到现实：固态电池什么时候能到来？

2024-07-09 11:27:18·  来源：汽车技术与标准化  
　

固态电池不只是噱头！

在能源需求与技术进步不断推动下，能源存储技术成为当今社会的焦点。固态电池作为一种新兴的能源存储技术，凭借其高能量密度、安全性和长寿命的优势，备受瞩目。然而，固态电池的实际应用依然面临许多挑战。那么，固态电池究竟离我们有多远？



01 固态电池的发展现状与支持政策


根据5月29日《中国日报》的报道，中国计划投入约60亿元人民币，鼓励具备条件的企业对全固态电池技术进行研发。宁德时代、比亚迪、一汽、上汽、卫蓝新能源和吉利等六家企业可能会获得政府的基础研发支持。这一项目由政府相关部委牵头，旨在推动全固态电池技术的突破与应用。


固态电池根据液态电解质的含量可分为液态电池、半固态电池、准固态电池和全固态电池，其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。EVTank在《中国固态电池行业发展白皮书》中指出，电解液含量低于10%的电池为半固态电池，完全不含电解液的则为全固态电池。


全球各国也在积极推进固态电池研发。中国在2021年发布了《新能源汽车产业发展规划（2021-2035）》和2023年的《关于推动能源电子产业发展的指导意见》，均包含固态电池的发展意见。美国在2021年发布《锂电池2021-2030年国家蓝图》，目标是2030年实现固态电池的规模化生产。日本、韩国和欧盟也分别在其相关政策中提出了固态电池的商业化和发展目标。


液态—半固态—准固态—全固态电池的发展路径


02  固态电池的技术进展与应用前景


中国企业在固态电池领域取得了显著进展。例如，辉能科技通过其中试生产线，向全球汽车公司提供了约8000个固态电池样品。蔚来、智己和广汽等企业也计划推出搭载固态电池的新车型。蔚来汽车计划于2024年量产能量密度为360Wh/kg的半固态电池，智己L6将搭载能量密度为368Wh/kg的光年固态电池，广汽昊铂计划于2026年推出能量密度超过400Wh/kg的全固态电池。


固态电池具有高能量密度和高安全性等优势。正极材料方面，固态电池能够容纳新的电极材料，如富锂锰基材料，其循环稳定性和能量密度潜力巨大。负极方面，固态电池更适合锂金属负极和硅碳负极，因其固态电解质具有较高的化学稳定性，可以有效抑制锂枝晶的形成和硅的膨胀。采用锂金属负极的固态电池能量密度最高，接近400Wh/kg。


在安全性方面，固态电池相比液态电池具有更高的化学和热稳定性，能有效防止热失控或燃烧的风险。根据丰田研发实验室的报告，全固态电池的产热量仅为传统锂电池的25-30%，显著降低了安全隐患。


低温性能方面，固态电池也表现出色。液态电池在低温下粘度大幅增加，锂离子迁移速度显著降低，导致冬季性能较差。相比之下，固态电解质在低温下的电导率受温度影响较小，即使在-30℃环境下，放电容量保持率也能达到90%以上，低温续航表现更佳。


液态电池、半固态电池、全固态电池对比


03 固态电池的挑战与未来展望


尽管固态电池在高能量密度和高安全性方面具有显著优势，但其量产之路并不平坦。固态电解质的离子导电率通常低于液态电解质，限制了固态电池的充放电速度和整体性能。研究人员需要找到具有高离子导电率的材料，并优化电解质与电极之间的界面，以提升电池性能。此外，固态电池的制造成本较高，主要原因是高性能固态电解质材料的制备复杂且昂贵。如何降低材料成本和简化生产工艺，是实现固态电池大规模商业化的关键。


在产业化推进方面，固态电池制造工艺尚不成熟，需要解决固态电解质的离子输运机制、锂枝晶生长机制和多场耦合下的失效失控机制等核心科学问题。成本上，部分材料售价昂贵，阻碍了固态电池的量产。以蔚来2023年上线的150kWh电池包为例，其半固态电池成本约为1.7-2.2元/Wh，远高于同期车用方形三元电芯和铁锂电芯的均价。


固态电池技术被认为是突破锂离子电池能量密度上限的关键路径，尤其在电动车领域具有革命性意义。随着新能源汽车需求的不断增长和市场占比的提高，固态电池将成为锂电发展的终极方向。然而，鉴于技术和成本上的挑战，全固态电池的真正商业化之路还很长。液态电池在未来一段时间内仍将处于电动车应用的主流。


根据EVTank的预测，到2030年，全球锂电池市场中90%左右的份额仍将是传统的液态电池，剩余约10%为固态电池。在固态电池所占据的市场份额中，大部分将属于半固态电池。固态电池的发展前景广阔，但其商业化进程仍需克服诸多挑战。随着新材料的发现、制造技术的进步以及政策支持的加强，固态电池有望在多个领域得到广泛应用，为解决能源危机和实现可持续发展贡献力量。固态电池的到来，或许比我们预想的更快。

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