2024年被行業(yè)看作是固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn)，不少企業(yè)都先后對外公布了固態(tài)電池落地的時間表，這也讓行業(yè)對固態(tài)電池的熱情不斷提升。
固態(tài)電池的革新最重要體現(xiàn)在電解質(zhì)層面。不過，電解質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的改變不僅僅是形態(tài)的改變，更是化學(xué)材料的改變，以此來提升能量密度、改進(jìn)安全性能。
而電解質(zhì)的不同也使得固態(tài)電池形成了多樣的技術(shù)路徑。目前，全固態(tài)電池主要分為聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系和鹵化物體系四種技術(shù)路徑。
“說實(shí)話沒有一種是十全十美的。目前離子導(dǎo)電性最高的是硫化物體系，接近產(chǎn)業(yè)化的也是硫化物體系。但是也不大可能一種產(chǎn)品打天下，因?yàn)榱蚧镫娊赓|(zhì)也需要和聚合物進(jìn)行復(fù)合。”近日，中國科學(xué)院院士歐陽明高在“中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟2024年度大會”上表示，全固態(tài)電池的技術(shù)路徑并沒有實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一，關(guān)于電解質(zhì)的研究、驗(yàn)證等還有很多工作要做。
四大技術(shù)路線各有優(yōu)劣
與液態(tài)電池相比，半固態(tài)電池、全固態(tài)電池最核心的改變在于電解質(zhì)材料的改變，其主要分為四條技術(shù)路徑。
具體來看，聚合物體系主要使用的材料是PEO（聚環(huán)氧乙烷）等，其優(yōu)勢為柔韌性好、質(zhì)量輕、成本低、易于加工；劣勢為常溫下離子電導(dǎo)率低，電化學(xué)窗口窄。據(jù)了解，聚合物體系技術(shù)路線研發(fā)時間最早。目前，歐美企業(yè)多采用該體系路線。
氧化物體系主要使用的材料是石榴石（Garnet）、鈉離子導(dǎo)體（NASICON）等，其優(yōu)勢為循環(huán)性能良好，電化學(xué)穩(wěn)定性高；劣勢為離子電導(dǎo)率較低，界面接觸性差。目前，國內(nèi)企業(yè)多采用該體系路線。
硫化物體系主要使用的材料是LiGPS、LiSiPS（均為一種硫化物電解質(zhì)）等，其優(yōu)勢為離子電導(dǎo)率較高，如LGPS、LSP-SC（均為一種硫化物電解質(zhì)）室溫下的離子電導(dǎo)率已與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)媲美。劣勢為與空氣接觸形成有毒的硫化氫，材料生產(chǎn)對工藝的要求極高，成本較高。目前，日韓企業(yè)多選用該體系路線。
鹵化物體系主要使用的材料包括氟、氯、溴和碘等，其優(yōu)勢在于高離子電導(dǎo)率、良好可變形性和寬電化學(xué)窗口，其劣勢則是鹵化物體系的還原電位不夠低，無法與金屬鋰負(fù)極匹配，而且原材料成本過高等。
目前來看，國內(nèi)各個企業(yè)選擇的技術(shù)路徑不盡相同。比如，清陶能源采取了氧化物電解質(zhì)路線，而國軒高科則選擇了硫化物的體系路線。“固態(tài)電池的研究已經(jīng)很久，也打下了很長的基礎(chǔ)。但借助硫化物超快離子導(dǎo)電性能的發(fā)現(xiàn)，我們又迎來了電池技術(shù)快速的發(fā)展期。”深藍(lán)汽車科技有限公司高級項(xiàng)目總監(jiān)周安健認(rèn)為，固態(tài)電池進(jìn)入創(chuàng)新機(jī)遇期。
“全固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)主要有四種材料體系，每一個的優(yōu)點(diǎn)都很突出，缺點(diǎn)也很明顯。因此，材料復(fù)合是一個非常好的解決問題的思路，因?yàn)椴牧蠌?fù)合在科學(xué)上確實(shí)有協(xié)同效應(yīng)在，所以要取長補(bǔ)短來解決整個問題。”南方科技大學(xué)教授許曉雄表示。
快充需提升離子導(dǎo)電性
眼下，固態(tài)電池的高能量密度和高安全性已經(jīng)成為共識，但其電解質(zhì)改變的同時也帶來了另一個問題。一般來說，電池中電解質(zhì)的功能是為鋰離子在正負(fù)極之間傳輸搭建通道，而決定鋰離子運(yùn)輸是否順暢的指標(biāo)被稱為離子電導(dǎo)率。與液體電池不同，半固態(tài)及全電池的電解質(zhì)與正負(fù)極之間以固-固界面接觸，其接觸更多是面積更小的點(diǎn)狀，因而離子電導(dǎo)率通常比液態(tài)電解質(zhì)低，進(jìn)而也導(dǎo)致固態(tài)電池的快充能力受限。
因此，如何提高“離子電導(dǎo)率”“如何去解決快充難題”都是半固態(tài)及全固態(tài)電池需要去突破的難題。
值得一提的是，智己汽車推出的智己L6 Max光年版，其搭載的半固態(tài)電池可實(shí)現(xiàn)900V快充。
“在電池有任何液體的狀態(tài)下快充，可能就會面臨非常多的問題。電解質(zhì)從原來的固-液接觸變成了固-固接觸，接觸界面處會有空電荷區(qū)的存在，這也是界面高阻抗的重要原因。如果我們把固態(tài)電解質(zhì)做成一個膜，它的離子電導(dǎo)率并不是很理想。”廣州巨灣技研有限公司首席科學(xué)家毛文峰說。
據(jù)毛文峰透露，為了解決固態(tài)電池快充的問題，他們嘗試引入了介電質(zhì)。“這種材料可以幫助提升固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。我們之前的研究成果證明，介電質(zhì)的高介電性可能有效提升了鋰的交換電流密度，提升正極和固態(tài)電解質(zhì)之間鋰的濃度，從而減少界面電阻的存在。”毛文峰說。
目前，如何提升固態(tài)電池的離子導(dǎo)電性是行業(yè)的關(guān)鍵問題，其在技術(shù)上突破也影響著固態(tài)電池的規(guī)模量產(chǎn)。這一過程并不容易，中國工程院院士孫逢春在上述大會上表示：“從技術(shù)角度來看，固態(tài)電池要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還是任重道遠(yuǎn)。”
固態(tài)電池的革新最重要體現(xiàn)在電解質(zhì)層面。不過，電解質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的改變不僅僅是形態(tài)的改變，更是化學(xué)材料的改變，以此來提升能量密度、改進(jìn)安全性能。
而電解質(zhì)的不同也使得固態(tài)電池形成了多樣的技術(shù)路徑。目前，全固態(tài)電池主要分為聚合物體系、氧化物體系、硫化物體系和鹵化物體系四種技術(shù)路徑。
“說實(shí)話沒有一種是十全十美的。目前離子導(dǎo)電性最高的是硫化物體系，接近產(chǎn)業(yè)化的也是硫化物體系。但是也不大可能一種產(chǎn)品打天下，因?yàn)榱蚧镫娊赓|(zhì)也需要和聚合物進(jìn)行復(fù)合。”近日，中國科學(xué)院院士歐陽明高在“中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟2024年度大會”上表示，全固態(tài)電池的技術(shù)路徑并沒有實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一，關(guān)于電解質(zhì)的研究、驗(yàn)證等還有很多工作要做。
四大技術(shù)路線各有優(yōu)劣
與液態(tài)電池相比，半固態(tài)電池、全固態(tài)電池最核心的改變在于電解質(zhì)材料的改變，其主要分為四條技術(shù)路徑。
具體來看，聚合物體系主要使用的材料是PEO（聚環(huán)氧乙烷）等，其優(yōu)勢為柔韌性好、質(zhì)量輕、成本低、易于加工；劣勢為常溫下離子電導(dǎo)率低，電化學(xué)窗口窄。據(jù)了解，聚合物體系技術(shù)路線研發(fā)時間最早。目前，歐美企業(yè)多采用該體系路線。
氧化物體系主要使用的材料是石榴石（Garnet）、鈉離子導(dǎo)體（NASICON）等，其優(yōu)勢為循環(huán)性能良好，電化學(xué)穩(wěn)定性高；劣勢為離子電導(dǎo)率較低，界面接觸性差。目前，國內(nèi)企業(yè)多采用該體系路線。
硫化物體系主要使用的材料是LiGPS、LiSiPS（均為一種硫化物電解質(zhì)）等，其優(yōu)勢為離子電導(dǎo)率較高，如LGPS、LSP-SC（均為一種硫化物電解質(zhì)）室溫下的離子電導(dǎo)率已與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)媲美。劣勢為與空氣接觸形成有毒的硫化氫，材料生產(chǎn)對工藝的要求極高，成本較高。目前，日韓企業(yè)多選用該體系路線。
鹵化物體系主要使用的材料包括氟、氯、溴和碘等，其優(yōu)勢在于高離子電導(dǎo)率、良好可變形性和寬電化學(xué)窗口，其劣勢則是鹵化物體系的還原電位不夠低，無法與金屬鋰負(fù)極匹配，而且原材料成本過高等。
目前來看，國內(nèi)各個企業(yè)選擇的技術(shù)路徑不盡相同。比如，清陶能源采取了氧化物電解質(zhì)路線，而國軒高科則選擇了硫化物的體系路線。“固態(tài)電池的研究已經(jīng)很久，也打下了很長的基礎(chǔ)。但借助硫化物超快離子導(dǎo)電性能的發(fā)現(xiàn)，我們又迎來了電池技術(shù)快速的發(fā)展期。”深藍(lán)汽車科技有限公司高級項(xiàng)目總監(jiān)周安健認(rèn)為，固態(tài)電池進(jìn)入創(chuàng)新機(jī)遇期。
“全固態(tài)電池的固態(tài)電解質(zhì)主要有四種材料體系，每一個的優(yōu)點(diǎn)都很突出，缺點(diǎn)也很明顯。因此，材料復(fù)合是一個非常好的解決問題的思路，因?yàn)椴牧蠌?fù)合在科學(xué)上確實(shí)有協(xié)同效應(yīng)在，所以要取長補(bǔ)短來解決整個問題。”南方科技大學(xué)教授許曉雄表示。
快充需提升離子導(dǎo)電性
眼下，固態(tài)電池的高能量密度和高安全性已經(jīng)成為共識，但其電解質(zhì)改變的同時也帶來了另一個問題。一般來說，電池中電解質(zhì)的功能是為鋰離子在正負(fù)極之間傳輸搭建通道，而決定鋰離子運(yùn)輸是否順暢的指標(biāo)被稱為離子電導(dǎo)率。與液體電池不同，半固態(tài)及全電池的電解質(zhì)與正負(fù)極之間以固-固界面接觸，其接觸更多是面積更小的點(diǎn)狀，因而離子電導(dǎo)率通常比液態(tài)電解質(zhì)低，進(jìn)而也導(dǎo)致固態(tài)電池的快充能力受限。
因此，如何提高“離子電導(dǎo)率”“如何去解決快充難題”都是半固態(tài)及全固態(tài)電池需要去突破的難題。
值得一提的是，智己汽車推出的智己L6 Max光年版，其搭載的半固態(tài)電池可實(shí)現(xiàn)900V快充。
“在電池有任何液體的狀態(tài)下快充，可能就會面臨非常多的問題。電解質(zhì)從原來的固-液接觸變成了固-固接觸，接觸界面處會有空電荷區(qū)的存在，這也是界面高阻抗的重要原因。如果我們把固態(tài)電解質(zhì)做成一個膜，它的離子電導(dǎo)率并不是很理想。”廣州巨灣技研有限公司首席科學(xué)家毛文峰說。
據(jù)毛文峰透露，為了解決固態(tài)電池快充的問題，他們嘗試引入了介電質(zhì)。“這種材料可以幫助提升固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。我們之前的研究成果證明，介電質(zhì)的高介電性可能有效提升了鋰的交換電流密度，提升正極和固態(tài)電解質(zhì)之間鋰的濃度，從而減少界面電阻的存在。”毛文峰說。
目前，如何提升固態(tài)電池的離子導(dǎo)電性是行業(yè)的關(guān)鍵問題，其在技術(shù)上突破也影響著固態(tài)電池的規(guī)模量產(chǎn)。這一過程并不容易，中國工程院院士孫逢春在上述大會上表示：“從技術(shù)角度來看，固態(tài)電池要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還是任重道遠(yuǎn)。”
