固态电池可以解决电动车火烧车和储能系统火灾吗?

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  你一定常常看到电池爆炸的新闻吧,很本能地你一定马上会觉得手机、电动车、储能系统很危险:

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        确实,一支手机放一颗锂电池就可能爆炸,一个密闭空间放超过上百颗甚至上万颗的锂电池芯,然后让它在马路上走来走去,或是装在货柜里放在大太阳下曝晒,简直就是在自己身边放一个未爆弹,也太不安全了吧!

        如果前些年有人跟你说,有一种电池比锂电池更不容易火灾,能量密度更高、寿命更长、充放电速度更快,而且成本更低,那么他一定是在骗你。

  科技进步到哪,我们就进化到哪,我今天可以放心地用绿学院常说的「演化思维」跟你宣布,经过十多年的研发,终于有一种电池接近上述的各项惊人特质,而且近几年陆续开始小批量试生产,预计在未来十年内可以量产,挑战称霸世界近三十年的液态锂电池(Lithium Ion Secondary Battery),这颗闪亮的星星就是固态电池!

固态电池也是锂电池家族成员之一,只是一般锂电池电解液是液态,而固态电池使用的电解液则是固态

  其实固态电池也是锂电池家族成员之一,只是一般锂电池电解液是液态,而固态电池使用的电解液则是固态,因此命名与液态电池区隔出来。

        固态电池看似只是换了一种电解液的形态就如此被重视,就是因为其在理论上解决了当前困扰锂电池,尤其是动力电池产业的两大根本痛点,即安全问题和能量密度。

        固态电池改用固态电解质,因此可以避免漏液的问题,且因固态电解质具有较强的阻隔正负极效果,较不易生成锂枝晶而造成短路,安全性自然较高。能量密度的部份,由于固态电池的安全性,故正负极可以选用能量密度更高的材料,例如负极采用锂金属或是正极采用NCMA混合物等,使其能量密度有机会超过锂三元电池。

        不过我们也可以想像到它的侷限,因为锂离子就像游泳选手一样,不断在正、负极间来回游动,当锂离子必须在固态介质内游动时,速度一定会比较慢,所以一般固态电池较不适合用来快速充放电,这就是它必须突破的挑战。

三种固态电池技术路线

  根据固态电解质材料的不同,目前产业界将固态电池分成聚合物、硫化物和氧化物三大技术路线,其中聚合物属于有机高分子电解质,硫化物与氧化物属于无机陶瓷电解质。

· 固态电池技术路线一:聚合物

  聚合物电解质主要由聚合物基体与锂盐构成,当你让它处于高温状态时,锂离子游得比较快,所以把配方和温度调一调,就可以得到高能量密度,因此成为最先实现产业化的技术方向。但这种电池的最大缺点是它得保持在加热状态才能保有较佳的效能,现在碳中和的压力这么迫切,除非都用绿能加热,否则这条技术路线离商业化仍有一定距离。

· 固态电池技术路线二:硫化物

  无机陶瓷电解质包含硫化物与氧化物,其中硫化物的活性较高,不需额外进行加热,但缺点是电解质和正负电极之间的界面电阻较高,锂离子游动的速度会比较慢,充放电速度较差。除此之外,硫化物还有两大缺点,硫化物固态电池接触空气容易产生有毒性的硫化氢,如何维持安全稳定性及避免与空气进行化学反应是一大要点;加上硫的高活性,生产设备及生产环境的特殊需求将造成高昂成本,这都对未来的量产带来隐忧。

· 固态电池技术路线三:氧化物

  氧化物电解质最大的优点是安全,因此在三大技术路线中,它的安全性最高,但研发难度也最高。氧化物固态电池一旦破裂毁损后,不会产生硫化氢,但因活性不如硫化物,因此锂离子游动的速度更慢,充放电速度相较于聚合物及硫化物较差。

固态电池两大潜在的应用场景

  固态电池有机会解决动力电池产业的两大根本痛点,即安全问题和能量密度。因此,层出不穷的电动车火烧车事件,以及大家对储能系统电池的担心,就直指两个潜在的应用场景,也就是电动车及储能系统。

· 固态电池应用场景一:电动车

  对电动车而言,最重要也最昂贵的零件就是电池,其占总成本四成至六成不等,可以说,谁掌握了电池科技,谁就掌握了下一代的电动车科技。因此,大家都想要找到液态锂电池的替代方案,在这机遇之下固态电池这颗新星诞生了,于是电动车成为固态电池潜在的应用场景。

  这么好的机遇,为什么会掉到固态电池身上?主要原因有三:

  1. 不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液、耐高温的固态电解质取代电解液、电解质盐与隔膜,彻底解决电池自燃造成的火烧车问题
  2. 能量密度有很大机会突破500Wh/kg,此能量密度可将电动车续航力拉高至800公里到1,000公里,比锂三元电池还高
  3. 固态电池可大幅为电动车驱动系统减重,由于固态电池电芯内不含液体,可大幅降低自燃的风险,故可先串联再封装,减少现有液态锂电池外部串联导致冗余的机构设计;同时因其完全不可燃的特性,BMS温控组件将可大幅度减少,进而提高续航力

 

· 固态电池应用场景二:储能系统

  相对于电动车来说,储能系统有很多不同的电池选项,但锂电池储能系统能快速反应的优势,对于参与电力系统仍为必要,在储能市场的发展占据一定的重要性。

   虽然现阶段固态电池应用到储能系统仍为时尚早,但储能市场早已开始关注固态电池技术的发展,为什么固态电池有机会?主要原因有三:

  1. 不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液、耐高温的固态电解质取代电解液、电解质盐与隔膜,解决储能系统因电池引起的火灾问题
  2. 大部份的储能系统不像电动车需要快充,固态电池在这里发挥更加得心应手
  3. 若能大规模量产,因为固态电池电芯内不含液体,可大幅降低自燃的风险,故可先串联再封装,减少现有液态锂电池外部串联导致冗余的机构设计;同时因其完全不可燃的特性,BMS温控组件将可大幅度减少,进而降低壳体设计成本,在这两种因素之下,达到简化生产流程,提高成本竞争优势
     

  固态电池尚未量产,锂电池仍将称霸储能系统一段时间,毕竟磷酸铁锂电池成本低、相对来说安全性高,且电池循环寿命基本3,000次以上,可以用个八至十年,已可满足现有储能市场的需求。

        看完这篇文章相信可以帮助你脱离一知半解,不再靠著吸收碎片化的知识或资讯,片面解读固态电池。如果你还想了解更多,也欢迎参加产业小聚,或加入绿学院LINE官方帐号,跟我们聊聊喔!建议用手机点选连结,或者扫描下方与我们同步QR Code。


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