关于固态电池,近期各大官方媒体广泛报道了两项重要进展。
其一是中国科学院金属研究所的研究人员发表于《先进材料》杂志的论文——“Potential-gated polymer integrates reversible ion transport and storage for solid-state batteries”。
另一项则是由中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的黄学杰研究员团队,联合华中科技大学张恒教授团队及中国科学院宁波材料技术与工程研究所姚霞银研究员团队,共同开发出的一种阴离子调控技术。
这两项技术均旨在解决固态电池中电解质与电极间接触不良的问题。正如各大官媒所言,这两项研究为固态电池界面阻抗大、离子传输效率低这一关键难题提供了新的解决方案。
固态电池一直被视为电动汽车技术的下一个重要突破口,被认为是新能源市场的颠覆性力量。确实,相较于当前的液态电池,固态电池在性能上具有全方位的优势,几乎无短板。这主要得益于其电解质的稳定性。
由于稳定性高、不易燃烧,固态电池消除了自燃风险,安全性大幅提升;因其稳定,可采用金属锂作为负极,使能量密度较现有石墨负极提高十倍;同样因其稳定,副反应较少,使用寿命更长;并且对温度的敏感度较低,工作温域更广,在-50℃至200℃之间均可稳定运行。
更重要的是,因为固态电池不需要设计防漏液,所以它的形状可以更加多样,可以更完美的切合电车平台的结构设计,把电车上原本用不到的地方都填补上,极大地提高了动力电池的体积能量密度。
总的来说,将电解质从液态转变为固态,犹如为电池进行了一次“脱胎换骨”的升级。这不仅是对“更安全”或“续航更长”的简单提升,而是从安全性、能量密度、使用寿命、环境适应性等多个维度实现的全面跨越,有望彻底破解当前锂电池技术的诸多瓶颈。
因此,近年来各大主机厂对固态电池的追捧热度不减,本田官方甚至直言:“改变纯电动车游戏规则的将是‘全固态电池’。”
然而,令人遗憾的是,固态电池的量产进程始终在“计划”与“延迟”之间反复徘徊。曾几何时,有主机厂宣称2016年即可实现小规模量产,但这一目标最终未能达成。根据各大车企的最新消息,预计到2026年,固态电池将正式投入生产线。
导致固态电池屡次跳票的一个关键原因在于固态电解质与电极的接触问题。
液态电池由于电极完全浸润在电解质中,因此不存在接触不良的困扰。然而,固态电池需要将两个固体紧密结合,即便加工再精密,也难免存在误差,从而导致两个固体接触面出现缝隙。这些缝隙会显著影响离子扩散速度和导电率,用专业术语来说,即界面阻抗较大,锂离子传输受阻。
更为关键的是,在充放电过程中,电池内部会产生热量,导致两个固体间发生热胀冷缩现象。正因如此,尽管固态电池在理论上拥有更长的寿命,但现实条件却限制了其循环寿命的表现。
在最近报道的两项新技术问世之前,各大主机厂普遍采用固液混合的方式来应对这一难题——即在电极和固态电解质之间仍使用液态电解质作为过渡,这就是目前已量产上车,甚至出现在十万出头纯电车上的半固态电池。
然而,电子在两极间往复运动,恰如河水川流不息,水流的快慢与大小并非取决于河流最宽处,而是取决于最狭窄的部位。因此,液态电解质的导电率直接决定了整块电池的导电性能,这也注定了半固态电池的性能难以实现质的飞跃。
一个非常典型的例子就是MG4,采用半固态方案和磷酸铁锂电池方案在性能上毫无差别:530km的续航同样需要53.9kWh的电池容量,官方0-50km/h的加速时间依旧为3秒,极速仍为160km/h,快充时间也仍是0.35小时从30%充电至80%。
尽管性能未见丝毫提升,但价格却大幅上涨——在配置完全相同的情况下,MG4半固态方案的价格比磷酸铁锂方案高出6000元。
因此,要充分发挥固态电池的性能,必须彻底解决固态电池的界面接触问题。令人意想不到的是,这一世纪难题竟被国内科研团队一举提出两套解决方案。
中国科学院物理研究所的黄学杰团队提出的方案是在电解质中引入碘离子。电池工作时,这些碘离子在电场作用下移动到电极界面,形成一层富碘界面,该界面会主动吸引锂离子,自动填充所有缝隙和孔洞,使电极与电解质紧密贴合。
中国科学院金属研究所的研究人员则在分子层面进行创新。电池充放电的原理是电子在正负极之间通过电解质游走,因此电子实际上存储在电极中,游走在电解液之上,这类似于我们居住在房子里,但通过车辆出行。要解决电池的固-固接触问题,最直接的方式就是将车门和房门设计成一体。
他们在聚合物骨架中,通过共价键方式同时引入了电位调控的快离子传输通道与可逆离子储存位点,实现了离子传导与存储功能的融合,从而改变了界面的存在形态。
尽管这些方案为固态电池的界面接触问题提供了新的思路,但这并不意味着固态电池已经触手可及。
黄学杰在接受第一财经采访时指出,尽管在技术上攻克了固态电池的一大难题,产业界可能会迅速跟进,但要实现全固态电池的产业化,低压力下高比容量正极的离子导电路径保持依然是一个重大挑战。
中国科学院金属研究所的方案目前仍属于“材料级”突破。从制备出几克优异的实验室样品,到建立稳定、低成本、大规模的生产线,中间还需解决大量的工程化问题,尚有许多未知的挑战等待着工程师和科学家去攻克。
换言之,这两套方案目前仍处于实验室阶段,尚未有成熟的量产计划。即便进入量产阶段,从量产下线到装车试验,仍需漫长的探索。所以,许多主机厂宣称2026年就能量产上车的固态电池,估计还是会跳票。
因现阶段买电动车的小伙伴根本无需担忧错过固态电池的风口,不必担心短期内会落后。
更何况,现在的液态锂电池技术成熟可靠,足以满足未来多年使用需求,性能之于普通家用车甚至有些过剩。现阶段的购车决策应基于车辆实际性能与价值,无需为尚未落地的技术过度担忧。
固态电池是未来的“曙光”,但远非“明日之星”。(文|大雄)
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