2024年1月，大眾汽車的電池子公司PowerCo宣布，其合作伙伴QuantumScape已成功通過其首批固態(tài)電池的耐久性測試，實現(xiàn)超過1000次的充放電循環(huán)，同時保持超過95%的容量。此前，2023年9月，美國固態(tài)電池上市公司Solid Power宣布，其首批A-1固態(tài)電池樣品已正式交付給寶馬進行汽車驗證測試，寶馬計劃到2025年推出基于Solid Power固態(tài)電池技術(shù)的首款原型車。
隨著下一代汽車電池技術(shù) —— 固態(tài)電池技術(shù)的進步和突破，傳統(tǒng)液態(tài)電池的地位正受到挑戰(zhàn)。
固態(tài)電池為何備受矚目？
因為技術(shù)路線不同，汽車電池技術(shù)劃分為磷酸鐵鋰和三元鋰兩大陣營。在性能、安全、成本這三大因素的綜合作用下，磷酸鐵鋰和三元電池的市占率此消彼長。不變的是，為贏得市場競爭優(yōu)勢，車企都追求長續(xù)駛里程吸引消費者，通過優(yōu)化電池包物理結(jié)構(gòu)以及多“堆”電池，實現(xiàn)增加車輛續(xù)駛里程，CTP技術(shù)、滑板底盤等應(yīng)運而生。
根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，2025年動力電池的能量密度目標(biāo)為400Wh/kg，2030年目標(biāo)為500Wh/kg。想達到2030年的目標(biāo)，現(xiàn)有液態(tài)鋰電池技術(shù)路線恐難擔(dān)大任，光是350Wh/kg的能量密度天花板就很難打破，但是固態(tài)電池能量密度能輕松超越350Wh/kg。
傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜四大關(guān)鍵要素組成，鋰離子從正極到負(fù)極再到正極的來回移動過程中，電池的充放電過程便完成了。而固態(tài)電池則是一種使用固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)的電池，充電時正極中的鋰離子從活性物質(zhì)中脫嵌，通過固態(tài)電解質(zhì)向負(fù)極遷移。
固態(tài)電池與液態(tài)鋰離子電池的區(qū)別
在傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的充放電過程中，電極表面很容易發(fā)生副反應(yīng)。例如，陽極電極表面形成的鋰枝晶很容易穿透隔膜，造成陰極和陽極電極之間短路，導(dǎo)致電池起火。另外，電解液為有機液體，在高溫下發(fā)生副反應(yīng)、氧化分解、產(chǎn)生氣體、發(fā)生燃燒的傾向都會加劇。新能源汽車市場容量快速擴大，液態(tài)電池在安全性方面面臨著巨大挑戰(zhàn)，動力電池對于高能量密度與高安全性的迫切需求推動著固態(tài)電池的發(fā)展。與液態(tài)鋰電池相比，固態(tài)電池具備高安全性、高能量密度、體積小、耐低溫等優(yōu)勢。
· 安全性高：由于固態(tài)電池的電解質(zhì)固態(tài)化，不含易燃易爆、易揮發(fā)等成分，可徹底消除電池因漏液引發(fā)的電池冒煙、起火等，以及在充放電過程中生成鋰枝晶造成的安全隱患，被稱為最安全電池體系。
· 能量密度高：固態(tài)電池能使用能量密度更高的活性材料，例如，基于金屬鋰陽極的固態(tài)電池的能量密度可超過500Wh/kg，而液態(tài)鋰電池的理論能量密度極限為350Wh/kg。目前，傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池已接近其理論能量密度極限，進一步改進的空間很小。
· 體積?。簜鹘y(tǒng)鋰離子電池中，需要使用隔膜和電解液，它們加起來占據(jù)了電池中近40%的體積和25%的質(zhì)量。而如果把它們用固態(tài)電解質(zhì)取代（主要有有機和無機陶瓷材料兩個體系），正負(fù)極之間的距離（傳統(tǒng)上由隔膜電解液填充，現(xiàn)在由固態(tài)電解質(zhì)填充）可以縮短到甚至只有幾到十幾個微米，這樣電池的厚度就能大大地降低 —— 因此全固態(tài)電池技術(shù)是電池小型化，薄膜化的必經(jīng)之路。
· 溫度范圍更廣，循環(huán)使用壽命更長：固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性可以減緩電池中的失活和退化過程，不僅可以延長電池的使用壽命，還能阻止金屬鋰的電極枝晶生長，減少電極的體積膨脹和損壞，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
另外值得補充說明的是，液態(tài)鋰電池往往需要先將單體電芯封裝完成后先并聯(lián)再串聯(lián)，若想省流程直接串聯(lián)，則會導(dǎo)致正負(fù)極短路。而固態(tài)電池由于內(nèi)部不含液體，不存在短路的問題，可直接串聯(lián)組裝。還有對于固態(tài)電池，因為其高安全性，可簡化甚至不需要冷卻系統(tǒng)，所以固態(tài)電池的實際量產(chǎn)過程中，其成組成本會更低，整個生產(chǎn)流程更簡單。
固態(tài)電池階段發(fā)展之路
固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心部件，在很大程度上決定了固態(tài)電池的各項性能參數(shù)，如功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能、高低溫性能以及使用壽命。固態(tài)電池按照其電解質(zhì)的不同分為聚合物、氧化物和硫化物三種路線。
