从理论的提出时间来看,固态电池并不是一个新的概念,但多年来,研发上的进展并没有想象的那么快速。固态电池不一定完全是固态电解质,还有一点液态,是液态跟固态混合的。固态锂动力电池的电解质是固态,但在电芯中有少量的液态电解质。半固态就是固态电解质、液态电解质各占一半,或者说电芯的一半是固态的、一半是液态的。准固态就是主要为固态,少量是液态。简单地说,固态电池是一种外观上貌似固态,但实质上采用固液混合电解质的动力电池。

在固态离子学中,固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的动力电池。由于固态电池的功率重量比较高,使用固态电池,电量可以提升超过30%,所以对电动汽车来说,固态电池是一种很理想的动力电池。另外,固态电池还有安全性更高的特点,由于固态电池属于非易燃品,在碰撞过程中不易起火和爆炸,对电动汽车而言,是一极佳的车载动力电池。此外,它还有使用寿命更长的特点,尤其是它的循环使用寿命比目前常见的18650锂动力电池更长,通常可充电几十万次,可以有效延长纯电动汽车的使用寿命。而它使用的材料通常也很环保,使用后进行填埋处理即可。所以,一旦固态电池技术发展成熟,纯电动汽车将有实力和传统燃油汽车相抗衡。

固态电池一般功率密度较低,能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高,所以它是电动汽车很理想的动力电池。到2020年固态电池技术研发有望取得突破性进展,在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂动力电池技术。

固态锂动力电池顾名思义就是不再使用液态的电解液,采用固态电解质,所有材料都以固态形式存在的锂动力电池。具体来说,它由正极材料+负极材料和电解质组成,而液态锂动力电池则由正极材料+负极材料+电解液和隔膜组成。液态锂动力电池能量密度极限在350Wh/kg,而全固态锂动力电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,不仅有望从根本解决动力电池安全性问题,而且量产能量密度能够达到500~600Wh/kg。

固态锂动力电池能力密度远超现在的主流的锂动力电池,这意味着纯电动汽车有更长续航里程、甚至达到节能型汽油车的续航里程,并且充电效率相比现阶段也有着质的飞跃,据悉装备固态电池的电动车,最理想化的充电速度可达到1分钟增加800公里,这可以说是新能源车的最佳核心部件。固态锂动力电池具有以下优势:

1)轻,能量密度高。使用了全固态电解质后,锂动力电池的适用材料体系也会发生改变,其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以明显减轻负极材料的用量,使得整个动力电池的能量密度有明显提高。

2)薄,体积小。在传统锂动力电池中,需要使用隔膜和电解液,它们加起来占据了锂动力电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代(主要有有机和无机陶瓷材料两个体系),正负极之间的距离(传统上由隔膜电解液填充,现在由固态电解质填充)可以缩短到甚至只有几到十几个微米,这样锂动力电池的厚度就能大大地降低,因此全固态电池技术是动力电池小型化,薄膜化的必经之路。

3)柔性化。固态锂动力电池使用脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米级以下后是可以弯曲的,材料会变得有柔性。相应的,全固态电池在轻、薄化后柔性程度也会有明显的提高,通过使用适当的封装材料(不能是刚性的外壳),制成的动力电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。

4)更安全。排除了传统锂动力电池在下列情况可能发生的危险:

①在大电流下工作有可能出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致短路破坏。

②电解液为有机液体,在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。

采用全固态电池技术,以上两点问题就可以直接得到解决。

现阶段,国外的能源、科技企业,以及松下等动力电池制造商都开始了固态电池的研发,汽车厂商涉及这方面的有丰田、本田以及日产三大日系车企,这源于日本国家层面的助推。从已经开始研究固态电池的各方计划来看,预计2020年将在成本、能量密度和生产制造方面有突破性进展。到2030年才能将这项研发成果落地、在新能源汽车领域广泛普及,即离我们还有些远,这也是各大车企发布2025年全球禁售燃油车的应对战略时,并未提及固态电池的原因。

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