电池技术的创新对于全球电动汽车的转变非常重要。EV/HEV电池已从镍氢电池转变为如今的锂离子电池,随着技术开发的积极进展,大家对全固态电池的期望也越来越高。固态电池由正极、负极和固体电解质组成,而不是锂离子电池中使用的电解质和隔膜功能。
原则上,用阻燃固体电解质代替由易燃溶剂组成的电解质,安全性会大大提高,寿命有望更长。此外,如果电解液暴露在60°C以上的温度下,电解液的成份就会分解。另一方面,固体电解质的使用温度范围为-30℃~100℃,从低温到高温的范围很广。
然而,基于硫化物的固体电解质在暴露于含有水蒸气的空气时存在产生有毒硫化氢的问题,在电极制造过程中建立严格的生产技术是必不可少的。对于紧凑型电池,可以采用粉末固体电解质的加压成型方法,该领域已进入量产和中试阶段。另一方面,电极的面积也大,无法采用加压成型法,只能采用涂敷法。
在这种情况下,将正极做成一个电极作为单一的正极,负极以同样的方式做成一个电极,并用固体电解质层代替隔膜进行涂布。最重要的是,需要制成具有正极-固体电解质层-负极三层的电池结构。
此外,由于固体电解质在制造过程中不喜欢水分,因此必须在制造设备中将零件的漏点控制在-40°C或更低。此外,生产技术的发展也是一个关键,需要优化加热和加压条件。诚然,全固态汽车电池的开发已经取得了相当大的进步,但随着研发的深入,新的挑战也随之出现。
丰田汽车公司率先开始研究汽车用全固态电池,2021年,丰田表示,全固态电池在电动汽车实际应用中,在安全、固态电解质材料和生产技术方面存在很多问题。液基锂离子电池和全固态电池在反复充放电过程中都会发生体积膨胀和收缩。尤其是电动汽车,电池容量的使用范围很广,所以体积会大幅膨胀和收缩。另一方面,在全固态电池的情况下,正负极颗粒与固体电解质形成的界面上升,会导致电池性能显著下降。
这个问题也是丰田推迟搭载固态电池电动汽车的主要原因之一。出于这个原因,丰田表示,固态电池未来优先在混动车型中使用。在混动系统电池的情况下,由于使用了电池容量的中间区域,电池的膨胀和收缩很小,对电池的影响不大。