固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。由于固态电池的功率重量比较高,所以它是电动汽车很理想的电池。2015年3月,英国戴森公司(Dyson)创始人詹姆斯·戴森首笔1500万美元的投资投向了固态电池公司。
中文名固态电池
Solid-state batteries
詹姆斯·戴森首
锂离子电池的2倍
优势一
轻——能量密度高。使用了全固态电解质后,锂离子电池的适用材料体系也会发生改变,其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以明显减轻负极材料的用量,使得整个电池的能量密度有明显提高。
优势二
薄——体积小。传统锂离子电池中,需要使用隔膜和电解液,它们加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代(主要有有机和无机陶瓷材料两个体系),正负极之间的距离(传统上由隔膜电解液填充,现在由固态电解质填充)可以缩短到甚至只有几到十几个微米,这样电池的厚度就能大大地降低——因此全固态电池技术是电池小型化,薄膜化的必经之路。
优势三
柔性化的前景。即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米级以下后经常是可以弯曲的,材料会变得有柔性。相应的,全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有明显的提高,通过使用适当的封装材料(不能是刚性的外壳),制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。
优势四
更安全。传统锂电池可能发生以下危险:(1) 在大电流下工作有可能出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致短路破坏 (2)电解液为有机液体,在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。采用全固态电池技术,以上两点问题就可以直接得到解决
应用
相比液态锂离子电池,固态锂电池由于具有更高的能量密度和安全性而成为非常有发展潜力的电池体系。固态电解质作为固态电池的关键组分,其中有机-无机复合电解质由于可以实现有机和无机的优势互补而成为比较有前途的电解质体系之一。[1]在复合电解质中,界面的设计和优化对电解质的性能具有重要影响。
另外,除了复合电解质内部的界面,固态电池正极内部的界面也尤为重要,甚至已成为限制固态电池性能的瓶颈,而目前基于固态正极内部锂离子传输的研究鲜有报道。因此,制备高效、稳定的固态电池正极和相应的高性能全固态电池,是固态电池研究的另一重要方向。研究了几种不同的固态电解质的制备及性能,探究了其在固态电池中的应用,并对相关机理进行了深入研究。
争议
固态电池可能是未来电池技术的发展方向之一,但也许不是最好的。”上述新能源生产企业的技术人员称,“包括燃料电池、超级电容器、铝空气电池、镁电池在理念上都有较大的发展空间,而最终,要看哪种路线发展更快、更接地气。”所谓接地气,就是在商业化的规模和成本方面都能达到完美的平衡点。首先,使用的材料必须不能是高成本且稀有的。其次,要在各个行业和领域都有实现大规模应用的可能。
或许,现在最具考验的地方在于价格。液态锂电池的成本大约在200~300美元/千瓦时,如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池,其成本会达到1.5万美元,而足以为汽车供电的固态电池成本更是达到令人咋舌的9000万美元。
Sastry表示,固态电池生产成本居高不下的一个重要原因在于生产效率低下。按照Sastry的规划,Sakti3最终将会把电池的成本降低至100美元/千瓦时,不过,她并没有给出最终的时间。
从理论的提出时间来看,固态电池并不是一个新的概念,但多年来,研发上的进展并没有想象那么快速。韩国三星的一位技术人员认为,即便Sakti3最终能做到成本上的降低,电池从实验室到最终的量产也需要不短的时间。正如液态锂电池,在上世纪70年代,相关的理念和实验认证就在齐头并进地推进,但真正大规模的使用,已经是20世纪末了。
参考资料1.高性能固态电解质的制备及其在全固态电池中的应用研究·知网空间