液态锂电池竞争者出列!四局下半即将登场的电池选手

绿色带路人的心底话


(Photo by hikeshispirit )

  如果前些年有人跟你说,有一种电池比锂电池更厉害,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!

  我们之前文章《如何判断电池技术大突破是世纪大骗局还是真革命?》为你分析六个判断电池技术潜能的基本逻辑:

  1. 高能量密度:能量密度指的是在一个固定的体积下,可以释放多少能量,你可以理解成你拿著两个同样大小的宝特瓶,一个宝特瓶装汽水,另一个宝特瓶装汽油,后者的能量密度自然是高于前者。业界除了体积之外,重量也是另一个衡量的标准
  2. 寿命长:充放电次数多,电池与车同寿,同时也减少废弃物
  3. 充放电速度快:一来透过较快速的放电提供足够力量推动你的车子;二来急用时能较快速的速度补充电能
  4. 耐热耐寒:最好能适应极端气候,否则在冰天雪地里电池挂了,车子就不能开了
  5. 安全性高:通常指的是不容易爆炸,这你可能觉得是天经地义,但要知道安全则代表材料必须稳定,而稳定通常意味著能量密度低,这两者之间有矛盾,必须取得平衡
  6. 达到可商业化的成本:研发阶段成本一定很贵,但落地到可商业化的规模,就要评估这个材料降价的潜能

  

  要找到能符合以上所有条件的电池,就像找到超完美娇妻一样,目前人类能找到最接近的,没意外,就是锂电池。因此,磷酸铁锂和锂三元电池以秋风扫落叶之势攻占几乎所有的储能电池及动力电池市场,在动力电池方面,锂电池是目前全球各大汽车集团偏爱的主流电池配方。

锂电池是目前全球各大汽车集团偏爱的主流电池配方,但层出不穷的电动车火烧车事件却让大家很头疼

  磷酸铁锂和锂三元电池的运作逻辑都是让锂离子像游泳选手一样,在电解液中游泳,前者寿命长、安全性高、成本低廉,但能量密度低;后者能量密度高能支援快充,但寿命短、安全性不高。

  以特斯拉为例,虽然使用最顶尖的Panasonic电池技术,能量密度也即将接近现有液态锂电池技术的极限,但层出不穷的火烧车事件,一个官司就可能让车厂倾家荡产。车厂要对其设计负责,因此他们其实很头疼。储能系统比较常用磷酸铁锂电池,因此纯电池发生火灾的事件较少,但韩国过去两年有超过三十起储能系统火灾,新闻讨论多关注锂电池安全性。不管是不是真的是电池造成火灾,这些层出不穷的事件都直指一个问题,就是我们必须想办法让锂电池更安全。

固态电池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:安全问题和能量密度

  于是,这就给了固态电池一个机遇。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。

· 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。

· 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。

· 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。

  看到这里,你可能觉得这三条技术路线都看起来都还只在研发阶段啊,怎么可能挑战液态锂电池,先别急,下一篇,我们继续来为你分析他们现在各自的发展状况,以及在哪些应用场景已经有他们的足迹。

 

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