液態(tài)電池
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-09-30
液態(tài)電池的視頻教程
固態(tài)電池成組技術(shù)的思考
為什么是固態(tài)電池？ 固態(tài)電池應(yīng)用需解決的核心問題。 固態(tài)電池和液態(tài)電池成組的差異對(duì)比。 未來(lái)固態(tài)電池系統(tǒng)及組成方式展望。
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液態(tài)電池的實(shí)例教程
工信部在《中國(guó)制造2025》中指出，到2025年，2030年，我國(guó)動(dòng)力電池單體能量密度需分別達(dá)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?yàn)?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(shí)現(xiàn)了電池的本征安全，同時(shí)使鋰負(fù)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(shì)，可以有效提高電池能量密度，因此固態(tài)電池越來(lái)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(jìn)行鋰離子的運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)對(duì)比
目前，固態(tài)電解質(zhì)最常用的材料主要是無(wú)機(jī)陶瓷和有機(jī)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(duì)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(diǎn)對(duì)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(huì)影響電解質(zhì)膜的厚度和離子電導(dǎo)率，以及電池內(nèi)阻。
展開 近日，新能源車企蔚來(lái)最新發(fā)布，下一步將在新車型上使用續(xù)航里程超1000公里的“固態(tài)電池”，這迅速引起業(yè)內(nèi)高度關(guān)注。受消息影響，國(guó)內(nèi)鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈板塊相關(guān)個(gè)股股價(jià)也在近兩日出現(xiàn)大幅波動(dòng)。那么，究竟什么是固態(tài)電池？它又能給新能源產(chǎn)業(yè)帶來(lái)多大變化呢？
蔚來(lái)董事長(zhǎng) 李斌
：150度電池包，我們采用最先進(jìn)的量產(chǎn)固態(tài)電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了360瓦時(shí)每公斤的超高能量密度，即將發(fā)布的新車?yán)m(xù)航將超過1000公里。
1月9日，蔚來(lái)的最新發(fā)布讓“固態(tài)電池”這一概念迅速受到市場(chǎng)高度關(guān)注。據(jù)悉，這一電池計(jì)劃于2022年第四季度開始交付。
中國(guó)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長(zhǎng) 馬小利
：它命名是基于它電解質(zhì)的形態(tài)的不同。固態(tài)電池電化學(xué)穩(wěn)定性就比較好，熱穩(wěn)定性也好，所以它的電池的安全性等各方面可能相對(duì)這個(gè)程度就要提升一些，這是它相比液態(tài)電池的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上這個(gè)概念已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了，并沒有在市場(chǎng)上看到進(jìn)一步的擴(kuò)展應(yīng)用。
專家介紹，目前國(guó)內(nèi)新能源汽車保有量已達(dá)近500萬(wàn)輛，動(dòng)力電池裝機(jī)總量達(dá)到267Gwh。而這些使用的電池主要可分為磷酸鐵鋰和三元鋰兩類，都屬于液態(tài)電池，里面使用的是液態(tài)電解質(zhì)。
受消息影響，市場(chǎng)層面也對(duì)隔膜、電解液等原本適用于液態(tài)電池的材料可能遭到棄用，產(chǎn)生一定擔(dān)憂。
近兩個(gè)交易日內(nèi)，隔膜、電解液龍頭企業(yè)恩捷股份、新宙邦等公司股價(jià)均出現(xiàn)大跌。專家認(rèn)為，雖然蔚來(lái)的最新發(fā)布有利于推進(jìn)產(chǎn)業(yè)向前邁進(jìn)，
但固態(tài)電池真正應(yīng)用還需要一定時(shí)間。
展開 核反應(yīng)堆燃料元件包殼金屬材料
七 液態(tài)電池可為飛機(jī)提供安全、清潔和安靜的推進(jìn)動(dòng)力
較常規(guī)鋰電池，液態(tài)電池具有能量存儲(chǔ)功能非爆炸性、充電速度快的特點(diǎn)，但由于泵送液體的能量?jī)?chǔ)存材料溶解量受到限制，導(dǎo)致液態(tài)電池能量密度較低。2018年8月，在NASA資助下，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及其創(chuàng)業(yè)公司Influit Energy將納米顆粒懸浮在水基液體電解質(zhì)中，通過表面處理使納米粒子濃度達(dá)到80％，制成了活性材料比例達(dá)65％的納米電燃料（NEF）電池，較活性材料只有35％的固體鋰離子電池，能量密度提高到1.5倍以上。該技術(shù)使液體能夠在一個(gè)裝置中充電，并在另一個(gè)裝置中放電，從而將能量和功率分離。充電后的液體可以采用跟航空燃油相似的方式進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)液體快速重新加注，而不是在飛行間隔中采用較為緩慢的電池充電方式。目前，NEF液態(tài)電池原理樣件的功率水平為每平方厘米若干毫安級(jí)。如果獲得資助，該研究成果將在2020財(cái)年提供第一代NEF技術(shù)，電流密度達(dá)到100mA/cm2，系統(tǒng)級(jí)比能量達(dá)到125 Wh/kg或350Wh/L，性能優(yōu)于鋰離子電池。由于NEF沒有火災(zāi)危險(xiǎn)，并且可以快速加油，因此適用于航空于冷卻電池和電機(jī)，且對(duì)飛機(jī)油箱無(wú)尺寸和形狀要求，為飛機(jī)提供安全、清潔和安靜的推進(jìn)動(dòng)力。
活性納米顆粒從油箱輸送、流經(jīng)離子交換膜實(shí)現(xiàn)發(fā)電
八 新型二維超薄超晶格材料革新傳統(tǒng)光電超晶格構(gòu)造概念
傳統(tǒng)超晶格通常只能由具有高度相似晶格對(duì)稱性的材料制成，材料之間具有相似的電子結(jié)構(gòu)。2018年3月，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究人員開發(fā)了一種由超薄二維薄片交替層組成，厚度僅有一個(gè)或幾個(gè)原子厚的新型人造“超晶格”。
展開 圖6 核反應(yīng)堆燃料元件包殼金屬材料
七、液態(tài)電池可為飛機(jī)提供安全、清潔和安靜的推進(jìn)動(dòng)力
較常規(guī)鋰電池，液態(tài)電池具有能量存儲(chǔ)功能非爆炸性、充電速度快的特點(diǎn)，但由于泵送液體的能量?jī)?chǔ)存材料溶解量受到限制，導(dǎo)致液態(tài)電池能量密度較低。2018年8月，在NASA資助下，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及其創(chuàng)業(yè)公司Influit Energy將納米顆粒懸浮在水基液體電解質(zhì)中，通過表面處理使納米粒子濃度達(dá)到80％，制成了活性材料比例達(dá)65％的納米電燃料（NEF）電池，較活性材料只有35％的固體鋰離子電池，能量密度提高到1.5倍以上。該技術(shù)使液體能夠在一個(gè)裝置中充電，并在另一個(gè)裝置中放電，從而將能量和功率分離。充電后的液體可以采用跟航空燃油相似的方式進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)液體快速重新加注，而不是在飛行間隔中采用較為緩慢的電池充電方式。目前，NEF液態(tài)電池原理樣件的功率水平為每平方厘米若干毫安級(jí)。如果獲得資助，該研究成果將在2020財(cái)年提供第一代NEF技術(shù)，電流密度達(dá)到100mA/cm?，系統(tǒng)級(jí)比能量達(dá)到125 Wh/kg或350Wh/L，性能優(yōu)于鋰離子電池。由于NEF沒有火災(zāi)危險(xiǎn)，并且可以快速加油，因此適用于航空于冷卻電池和電機(jī)，且對(duì)飛機(jī)油箱無(wú)尺寸和形狀要求，為飛機(jī)提供安全、清潔和安靜的推進(jìn)動(dòng)力。
圖7 活性納米顆粒從油箱輸送、流經(jīng)離子交換膜實(shí)現(xiàn)發(fā)電
八、新型二維超薄超晶格材料革新傳統(tǒng)光電超晶格構(gòu)造概念
傳統(tǒng)超晶格通常只能由具有高度相似晶格對(duì)稱性的材料制成，材料之間具有相似的電子結(jié)構(gòu)。2018年3月，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究人員開發(fā)了一種由超薄二維薄片交替層組成，厚度僅有一個(gè)或幾個(gè)原子厚的新型人造“超晶格”。
展開 近期中國(guó)臺(tái)灣的兩家企業(yè)——Gogoro和輝能科技——在中國(guó)國(guó)內(nèi)已經(jīng)是紅海的電動(dòng)自行車電池市場(chǎng)上提出換電的固態(tài)電池方案。仔細(xì)分析這個(gè)事情，我覺得目前半固態(tài)和固態(tài)電池的發(fā)展階段中，中國(guó)和全球出現(xiàn)一定程度的分化。
借著這個(gè)話題我想聊一聊我個(gè)人的看法。
●中國(guó)
目前主要的固態(tài)電池企業(yè)，估值都在高位。隨著液態(tài)電池處在產(chǎn)能擴(kuò)展期，而且圍繞磷酸鐵鋰和4680高鎳，從系統(tǒng)層面可以做出高安全系數(shù)的方案，國(guó)內(nèi)的固態(tài)電池企業(yè)不得不去做2-3年能上車的方案，也就是半固態(tài)方案；并且開始擴(kuò)展產(chǎn)能來(lái)交付。在產(chǎn)品的可用性妥協(xié)中，走一條現(xiàn)實(shí)的道路。
核心的矛盾在于，中國(guó)既然已經(jīng)有了規(guī)劃1Twh、600GWh和500Gwh系列企業(yè)，如果不出產(chǎn)能，后續(xù)發(fā)展是很難自洽的。
●全球
目前已經(jīng)上市的幾家固態(tài)電池企業(yè)，總體來(lái)看市值都在波動(dòng)中。
目前有：大眾汽車重資下注的龍頭大哥Quantumscape不到60億美金，大概是巔峰期的1/10；SES AI 22億美金，Solid Power13億美金；而一票的海外企業(yè)最終都需要采用SPAC上市。它們的核心邏輯，是在歐美沒有自主可信賴的動(dòng)力液態(tài)鋰電池的現(xiàn)實(shí)情況下，存在生存空間，一旦上市之后最終邏輯還是要滿足汽車的需求，這個(gè)時(shí)間又被拉長(zhǎng)到4-5年以后。
也就是說，如果我們?nèi)堪褢?yīng)用領(lǐng)域放在車上，未來(lái)好幾年我們看這些海外固態(tài)電池企業(yè)沒有營(yíng)收，只有開發(fā)進(jìn)度。這放在國(guó)內(nèi)，隨著CTP和CTC的提升，提高能量密度想要穩(wěn)壓一頭，一方面要在軟包這種封裝形式比較Pack的能量密度，還要考慮其他性能。
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液態(tài)電池的最新內(nèi)容
此外，固態(tài)電池在安全和能量密度方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，其使用固態(tài)電解質(zhì)替代了液態(tài)鋰電池中的電解液和隔膜，具備不可燃、無(wú)腐蝕、無(wú)揮發(fā)、無(wú)漏液、可抑制鋰枝晶形成等特點(diǎn)，安全性較高。
同時(shí)，固態(tài)電池可使用鋰金屬作為負(fù)極以提高電池的能量密度，目前液態(tài)鋰電池能量密度的天花板是300Wh/kg，而固態(tài)鋰電池的理論能量密度是700Wh/kg，是液態(tài)鋰電池的2倍以上，更適用于eVTOL。
鋰電池都由正極、負(fù)極、電解質(zhì)組成，其中液態(tài)鋰電池由有機(jī)液體電解質(zhì)組成，容易燃燒爆炸，存在安全隱患。全固態(tài)電池電解質(zhì)由氧化物組成，有著高離子電導(dǎo)率、低電子電導(dǎo)率、寬電位窗以及良好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，具由極高的安全性。因此用固體電解質(zhì)代替有機(jī)液體電解質(zhì)制備全固態(tài)電池，是解決當(dāng)前鋰離子電池安全問題的根本途徑。
此外，我們也正對(duì)溶解高濃度鋰鹽的液體溶劑進(jìn)行研究，它是傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的幾倍。為了溶解高濃度的鋰鹽，需要使用高介電常數(shù)的溶劑來(lái)促進(jìn)鋰離子的電離。這種溶劑包括碳酸亞丙酯、環(huán)丁砜和丁二腈。它們的相對(duì)介電常數(shù)以分子內(nèi)電偶極矩和原子內(nèi)電子極化為特征。
全釩液流電池
全釩液流電池（Vanadium Redox Battery，VRB），是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流 動(dòng)液態(tài)的氧化還原電池。通過兩個(gè)不同化合價(jià)的、被隔膜隔開的釩離子之間交換 電子來(lái)實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。釩電池充電后，正極為 V5+，負(fù)極為 V2+；放電后，正負(fù)極分別為 V4+和 V3+溶液。
對(duì)于采用液體電解質(zhì)的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，為了利用納米材料的尺寸效應(yīng)，同時(shí)提高其穩(wěn)定性，必須設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的納微復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，這已成為目前液態(tài)電池體系研究的熱點(diǎn)。
SEI膜
鋰離子電池是一個(gè)多相體系，不僅包含了電極、電解質(zhì)、集流體、隔膜等結(jié)構(gòu)，還包含了在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)層等。
因?yàn)槌墒斓牧姿徼F鋰體系是向磷酸錳鐵鋰升級(jí)的充分且必要條件，而彼時(shí)整體的液態(tài)電池技術(shù)都還未發(fā)展成熟。
這之前，磷酸鐵鋰是否被市場(chǎng)買賬和補(bǔ)貼強(qiáng)烈相關(guān)。2014年，新能源補(bǔ)貼政策傾向于高能量密度電池，有性能優(yōu)勢(shì)的三元材料裝車量漸漸壓過了磷酸鐵鋰。
彼時(shí)，因補(bǔ)貼變動(dòng)，磷酸鐵鋰裝機(jī)量出現(xiàn)斷崖式下跌，使得磷酸錳鐵鋰技術(shù)方案被塵封，陶氏化學(xué)、比亞迪等公司都在2015年、2016年相繼退出或終止研發(fā)。
堿性聚合物電解質(zhì)膜與傳統(tǒng)的堿性燃料電池KOH液態(tài)電解質(zhì)不同，由于沒有可移動(dòng)的金屬陽(yáng)離子，因此不會(huì)產(chǎn)生碳酸鹽沉淀與電解液流失，給車用燃料電池帶來(lái)了新的契機(jī)，近年來(lái)得到廣泛關(guān)注。固態(tài)聚合物OH-離子交換膜是堿性環(huán)境，與質(zhì)子交換膜酸性環(huán)境相比，材料的腐蝕問題得到緩解；最重要的是堿性環(huán)境中的氧還原動(dòng)力學(xué)快于酸性條件，催化劑可采用非貴金屬，使燃料電池成本得到降低。
它們的核心邏輯，是在歐美沒有自主可信賴的動(dòng)力液態(tài)鋰電池的現(xiàn)實(shí)情況下，存在生存空間，一旦上市之后最終邏輯還是要滿足汽車的需求，這個(gè)時(shí)間又被拉長(zhǎng)到4-5年以后。
也就是說，如果我們?nèi)堪褢?yīng)用領(lǐng)域放在車上，未來(lái)好幾年我們看這些海外固態(tài)電池企業(yè)沒有營(yíng)收，只有開發(fā)進(jìn)度。
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(jìn)行鋰離子的運(yùn)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(diǎn)也不同，具體如表1所示。
當(dāng)然，我們已經(jīng)有了較為成熟的液態(tài)鋰離子電池技術(shù)儲(chǔ)備。”三部敏宏透露，本田可能在明年之前，搭建一條固態(tài)電池的試點(diǎn)運(yùn)營(yíng)線。
“本田將重點(diǎn)監(jiān)控試驗(yàn)線的運(yùn)行情況，從當(dāng)下的實(shí)際情況看，仍然需要評(píng)估向固態(tài)電池切換的大致時(shí)間。正因?yàn)榇耍夷壳斑€無(wú)法向外界透露正式搭載動(dòng)力電池的具體時(shí)間。”
