固态电池,这个技术名词最近因为一场直播又成为了行业热点,甚至在A股市场上,相关题材的股票也出现了一波上涨行情,今天带大家来了解一下动力电池的终极目标——固态电池。
我们先来看一则报道,4月初,智己品牌CEO刘涛公布, 智己L6 ( 参数 | 询价 ) 车型上已经搭载了最新的光年固态电池,可以轻松达到1000公里的续航,快充时间也比当前主流的锂电池快很多,这则消息一出,立刻引发了对于固态电池的讨论。关于这款固态电池的争论我们稍后再说,先来了解一下什么叫固态电池。
智己的L6半固态电池1000km的续航、准900V快充
固态电池是相对于目前正在大范围使用的液态锂离子电池而言的,而液态指的是锂离子或者磷酸铁锂电池中电解质的形态,而电解质对于电池来讲有着至关重要的作用,液态的电解质充满了电池正负极之间的空间,在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池的充放电过程便完成了。
固态电池与液态电池的结构差异,主要体现在电解质的形态上
从原理上来说,固态电池就是采用了固态的电解质,由于没有了隔膜和液态电解质。它体现出了很多先天的优势,比如固态电解质的密度更高,结构更紧凑,可以让个更多的带电离子聚集在一起,这些离子在固态介质中移动的速度更快,所以可以产生更大的电流从而提升电池容量。
固态电池与液态电池的结构差异,主要体现在电解质的形态上
目前,续航里程是制约新能源汽车发展的主要瓶颈,而这主要取决于电池的能量密度。在锂离子电池中,能量密度由正负极材料所决定,目前的锂离子电池,正极材料基本上已经进化到811了,这个数字组合实际上是镍、钴、锰三种元素所占的比例,被称之为高镍三元,基本上已经是材料上的天花板。而负极材料的进化就没那么顺利了,目前主要采用的是石墨升级到硅碳负极的材料,它的能量密度上限为400Wh/kg。不过如果能够直接采用金属锂作为负极材料,能量密度有望达到2600-3500Wh/kg。
固态电池具有良好的安全性
那为什么不能用呢?因为在液态电解质里,充放电过程中,金属锂容易产生一种叫锂枝晶的物质,这种物质结晶形状是很尖的刺,甚至会刺穿隔膜,造成正负极的短路。而固态电解质则不会存在这样的问题,如果采用金属锂作为负极材料,可以大幅提升电池的能量密度,这也是固态电池最大的优势所在。
传统锂离子液态电池内部结构复杂,需要庞大的散热系统
除此之外,固态电池由于没有液体存在,其封装也变得更加简单,不会再担心漏液的问题,也不需要额外增加冷却管来降温,在传统锂电池中,隔膜和电解液的体积占据了整个电池的40%,重量占了25%,如果采用固态的电解质材料,正负极之间的距离就可以缩减到十几个微米,整个电池包的体积和重量会减轻很多。循环寿命上,由于克服了锂枝晶现象,理想状态下固态电池循环性能可以达到45000次左右。此外,固态电池充满电只需十几分钟,且工作温度范围扩大至三倍以上。
高性能三元锂电池组在鱼群游弋的鱼缸中展示
由此可见,固态电池的优势显而易见:高安全性、高能量密度,以及在极端温度下的稳定表现。其实早在30年前,美国橡树岭国家实验室就宣称研发出固态电池,但是为何到目前为止固态电池都没有大规模普及呢?我们都知道,动力电池市场化需要满足5个核心指标:能量密度、充放电性能、生产成本、安全性和循环寿命,目前看制约固态电池的主要瓶颈还是生产成本,有分析机构指出到2026年,随着技术的进步,固态电池的成本有望达到6000元/kWh。假如买一台70kWh的固态电池汽车,单单电池成本就高达42万元。目前碳酸锂价格是10万元每吨,换算成三元锂电池电芯成本大约495元/kWh,一台70kWh的锂电池车电池成本只有3.5万元,这将近十倍的成本落差是目前阻碍固态电池发展的主要因素。
锂电池使用以及回收的新途径
我们再回到开头,说说智己发布的光年固态电池,其实从视频直播的解读可以看出,这款所谓的固态电池,并没有完全摆脱液体电解质,依旧需要液体成分润湿极片,方便电子在极片间运动,而该“润湿剂”的质量占比约为电池整体的10%。所以称之为半固态电池更加合理,不过即使如此,这款电池凭借其130KWh的容量,10分钟补充400km续航里程的补能效率也领先目前主流锂电池一大截,可见如果未来能将固态电池的成本降低到与锂离子电池相当的水平,电动车的续航里程将会大幅增加,电池的安全性也会明显提升,影响电动车发展的痛点也会迎刃而解。