動力電池是電動汽車最為核心的部件,其性能對于電動汽車的整體性能起著決定性的作用.在電動汽車飛速發展的時代,性能更為強大的電池無疑是各大車企和電池生產廠商永無止境的研發對象.

前有國產電動汽車巨頭比亞迪棄用磷酸鐵鋰電池,轉投三元鋰電池懷抱,后有沃特瑪技術路線錯誤,公司分崩離析,這正是由于磷酸鐵鋰電池在性能方面無法跟上電動汽車發展的步伐.在電動汽車高續航剛需的推動下,能量密度潛力更高的三元鋰電池取代曾經被廣泛采用的磷酸鐵鋰電池成為了電動汽車發展中的必經歷程.

然而技術的發展不可能一成不變,隨著電動汽車領域持續性的擴張,以及日趨成熟,電動汽車對于電池能力密度的需求也在持續增加.

今年的早些時間,美國菲斯科汽車公司便發布了一項全新的固態電池技術.據悉,這項技術的能量密度是常規鋰離子電池的2．5倍,能夠讓電動汽車的行駛里程數增加到500英里(約804公里)以上.更為驚人的是,其充電時間僅需1分鐘,甚至比傳統燃油汽車加油的速度還快.

隨后,全球多個車企和電池廠家也發布了固態電池相關的研發進展.目前,豐田、松下、三星、三菱、寶馬、大眾、現代、戴森等企業均在加緊布局固態電池技術的儲備.至此,有關固態電池"碾壓"鋰電池的相關話題成為了新能源汽車行業內爭論的熱點議題.

近日,中國科學研究院宣布,由其牽頭承擔的納米先導專項"全固態電池"課題已經通過驗收,這一技術進步將進一步推動國內全固態鋰電池的規模化使用.此消息一出,再一次將固態電池的話題推上"高潮".

當前鋰離子電池的體系下,依賴高鎳三元正極、硅碳負極和電解液的組合,在未來五年內將達到350瓦時／千克的極限,仍將無法滿足于動力電池在安全性、能量密度以及成本方面的要求.

固態電池擁有兩個十分顯著的優勢,一方面由于采用了有機電解液的傳統鋰電池,在過度充電、內部短路等異常情況下容易導致電解液發熱,從而引發自燃甚至自爆的安全隱患.固態電池基于固態材料不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液等條件,安全系數較之鋰離子電池有著先天的優勢.

二來則是固態電池在最為關鍵的能量密度方面,有望徹底解決純電動汽車的里程焦慮.目前體系下的鋰離子電池已經接近極限性能,即便是特斯拉NCA18650電芯下的電池組,能量密度可以達到250瓦時／千克,應用于Model3的21700電芯能量密度達到300瓦時／千克,支持續航里程400到500公里,也仍然無法解決續航里程焦慮.

在現有的技術路線下,如果三元鋰電池還想進一步提高能量密度,只能繼續提高鎳材料或者添加CA.但高鎳的熱穩定性很差,在提高能力密度的同時,也意味著其穩定性的下降,電池內部的熱反應會更加劇烈,安全隱患也會從而變成更大的問題.

固態電池的電解質無需隔膜和電解液,并不存在漏液、腐蝕等問題,可以簡化電池外殼及冷卻系統模塊,進一步減輕電池模組的重量,達到節能的效果.此外,全新的正負極材料配套可以使得電化學窗口達到5V以上,從根本上提高能量密度,有望達到500瓦時／千克.

正是基于安全和能量密度突破性進展雙方面的問題,當前新能源汽車行業主管部門對于動力電池的性能也提出了更高的要求.根據《汽車產業中長期發展計劃》和《節能與新能源汽車技術路線圖》的相關指引,動力電池系統的能量密度需要在2025年至2030年達到350瓦時／千克以滿足市面上乘用電動汽車的續航里程要求.

從目前來看,僅憑借鋰電池的技術研發,這一目標顯然已經無法實現.而為了保證動力電池的高能量密度和安全性,固態電池的研發進度給整個新能源汽車行業帶來了光明.因此,固態電池被廣泛認為是下一代動力電池正確的技術研發方向.

不過固態電池雖好,但根據現有的研發進展來看,也還有兩項技術難題尚未攻破.一是固態電解質在室溫條件下的離子電導率不高,二是固態點解質與正負極之間界面阻抗比較大.

目前全球各大車企和電池廠商們使用的聚合物、氧化物、硫化物等固態電解質均存在這樣的問題.具體來說,聚合物耐溫性不夠,穩定性較差、離子電導性偏低.氧化物抗阻能力比價強,但離子電導性也無法達到要求.硫化物雖然電導性不錯,又由于材料穩定性不佳,導致離子傳輸性能欠缺.

往往一種全新研發的材料從實驗室走向市場應用層面,一般需要十年左右的時間.而固態電池的正處于研發階段,想要實現產業化還需要耐心等待.雖然大家廣泛認為固態電池具有高安全性、高能量密度的優勢,但也只是正向研發的猜測,只有當其量產產品展現出絕對的優勢時,才能真正取代三元鋰電池.

好比目前特斯拉的三元鋰電池技術已經非常成熟,即便固態電池在短時間內量產,其性能也只能達到前者的水平,并不會產生顛覆的意義.也就是說,固然大家一致看好固態電池,但其從研發階段到正式成為電池主導產品還有很長的路要走.所以,傳統的液體電解質電池至少還有若干年的市場空間,不必擔心很快被淘汰.

綜合來看,安全性高、能力密度潛力大的固態電池必然是下一代動力電池的研發方向,但目前確實還沒有量產產品能夠在各方面明顯勝過于傳統鋰離子電池.我們只能寄希望于固態電池技術早日成熟,電動汽車的續航里程再也不會成為通勤焦慮.