車載全固態(tài)電池技術(shù)路線探討分析

工信部在《中國制造2025》中指出，到2025年，2030年，我國動力電池單體能量密度需分別達到400Wh/kg、500Wh/kg。而公開數(shù)據(jù)顯示，液態(tài)電池能量密度上限或為 350Wh/kg，難以滿足能量密度提升的最終要求。全固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)替代易燃易爆的電解液實現(xiàn)了電池的本征安全，同時使鋰負極的應(yīng)用成為可能。鋰金屬具有3860 Ah/kg 的超高理論容量和-3.04 V 的低化學(xué)勢，可以有效提高電池能量密度，因此固態(tài)電池越來越受到人們的關(guān)注。

我們知道根據(jù)電解質(zhì)狀態(tài)的差異，鋰離子電池總體可分為兩類：液態(tài)電池和固態(tài)電池，兩者主要不同之處在于采用電解質(zhì)的狀態(tài)不同，液態(tài)電池主要依靠液體電解液進行鋰離子的運輸傳導(dǎo)，而固態(tài)電池中則替換了液態(tài)電池中使用的電解液與隔膜，采用固態(tài)電解質(zhì)完成電池工作狀態(tài)Li+可逆脫嵌的過程。這種方式的替代，使兩者存在著不同的特性，其優(yōu)缺點也不同，具體如表1所示。

表1 液態(tài)和固態(tài)電池優(yōu)缺點對比

目前，固態(tài)電解質(zhì)最常用的材料主要是無機陶瓷和有機聚合物，而它們性能的好壞也是決定固態(tài)電池性能中的關(guān)鍵的一部分，必須滿足的要求：

●較高的離子電導(dǎo)率

●良好的對鋰穩(wěn)定性

●較寬的電化學(xué)窗口

●力學(xué)性能良好

表2 不同固態(tài)電解質(zhì)優(yōu)缺點對比

固態(tài)電池工藝核心技術(shù)

●固態(tài)電解質(zhì)成膜的工藝

固態(tài)電解質(zhì)取代了液態(tài)電池的隔膜和電解液，主體為固態(tài)電解質(zhì)。鋰離子通過固態(tài)電解質(zhì)傳輸，因此固體電解質(zhì)的成膜工藝是固態(tài)電池制造的核心環(huán)節(jié)。不同的工藝方法將會影響電解質(zhì)膜的厚度和離子電導(dǎo)率，以及電池內(nèi)阻。目前電解質(zhì)的成膜工藝分為干法工藝和濕法工工藝，區(qū)別在于是否采用溶劑。

表3固態(tài)電解質(zhì)成膜工藝優(yōu)缺點比較

●固態(tài)電池的裝配工藝

全固態(tài)電池通常采用軟包的方式集成。與液態(tài)電池生產(chǎn)相比，不需要電解液注入工藝，取消了化成時間。目前全固態(tài)電池的尚處于基礎(chǔ)研究階段，大多數(shù)試驗驗證都基于扣式電池和模具電池。

從工藝成熟度、成本、效率等方面評估，疊片工藝是目前適合全固態(tài)電池制備的工藝。

分段疊片沿用液態(tài)電池疊片工藝，將正極、固體電解質(zhì)層和負極裁切成指定尺寸后按順序依次疊片后進行包裝；一體化疊片是在裁切前將正極，固體電解質(zhì)膜和負極壓延成3層結(jié)構(gòu)，按尺寸需求將該3層結(jié)構(gòu)裁切成多個“正極-固體電解質(zhì)膜-負極”單元，并將其堆疊在一起后進行包裝。無論是分段疊片和一體化疊片，都需要解決界面問題，以免對電池內(nèi)阻等電化學(xué)性能和機械性能產(chǎn)生影響。

各大汽車廠對固態(tài)電池市場布局統(tǒng)計

為加快電動化轉(zhuǎn)型，寶馬、奔馳等跨國車企巨頭已紛紛在固態(tài)電池領(lǐng)域布局。這條賽道上玩家不斷增多。

表4 不同汽車廠商對固態(tài)電池布局

總結(jié)：全固態(tài)電池可以從根本上解決現(xiàn)有鋰離子電池的安全問題，但全固態(tài)電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。這其中包括固態(tài)電池正負極，固態(tài)電解質(zhì)原材料的提取制備，以及電池生產(chǎn)工藝成熟度。中國科學(xué)院院士、中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高近日談到，材料這種事，要厚積薄發(fā)，固態(tài)電池真正投入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用大概的時間是在 2025~2030 年之間。