3分鐘充滿電、電池壽命長達20年,固態鋰金屬電池真正甩掉「用電焦慮」

雷鋒網 於 21/09/2022 發表 收藏文章

固態鋰金屬電池大規模產業化有望更早實現。
3分鐘內完全充電,生命週期內可循環超過1萬次,可持續使用20年——美國哈佛大學對於固態鋰金屬電池的研究有了新的技術突破。

與目前市場上電動汽車電池所用的傳統鋰離子電池不同的是,固態鋰金屬電池使用的是純金屬形式的鋰,同時,使用固體電極和固體電解質取代鋰離子電池中的液體或聚合物凝膠電解質。

相比市場上的傳統鋰離子電池,固態鋰金屬電池充電更快,能量密度更大,電池壽命更長。

美國哈佛大學對於固態鋰金屬電池的研究可追溯至去年5月,但彼時的技術停留在“10-20分鐘內完全充電,10-15年的電池使用壽命”層面上。

此次固態鋰金屬電池技術新的突破,可以説,直接拉高了電池技術水平的平均線,若真正大規模產業化或將成為解決制約電動汽車發展動力問題的關鍵,進一步賦能電動汽車行業。

目前,初創公司Adden Energy宣佈已獲得哈佛大學技術發展辦公室授予的獨家技術許可,用於推進該技術的商業化,其目標是將電池縮小為手掌大小的“軟包電池”。

由來已久

固態鋰金屬電池技術並非現在提出的全新概念,此前除了哈佛大學,還有很多公司對此項技術有過學術研究。

2020年12月,Quantum Scape對外宣佈固態鋰金屬電池技術的進展,聲稱公司的固態電池相比市場上的傳統鋰電池續航高出80%,用15分鐘即可充滿80%的電量,且能夠提供約16萬公里的續航能力。

由於固態鋰金屬電池技術,QuantumScape曾在短短1個多月股價飆漲13倍,並獲得大眾集團的兩次投資。

在我國,中國科學院物理研究所曾通過採用電子-離子混合導電活性物質作為正極實現100%全活性物質全固態電極,與金屬鋰負極搭配,構建出高能量密度全活性物質全固態電池,在電極層面上實現了770Wh/kg和1900Wh/L的能量密度。

2021年8月,Sakuú Corporation公司宣佈,已開發出3Ah固態鋰金屬電池,將電池的能量容量提高了100倍,體積能效提高了12倍以上。並計劃於2022年初開始量產這種電池。

學術的研究推動技術進展,固態鋰金屬電池技術在行業內“聲名鵲起”,被譽為電池行業的顛覆性技術,甚至被冠以“動力電池的未來”的名號。

除了學術方面的研究,資本也早早佈局固態電池領域,固態鋰金屬電池成為繼三元鋰電池後,各家角逐的新方向,固態鋰金屬電池的賽道持續升温。

固態鋰金屬電池被認為是未來5~10年的主流方向,在市場掀起一股研發和投資熱潮。

近幾年,包括日本、德國和美國在內的多個國家加大對於全固態電池(固態鋰金屬電池)的研發,現代汽車等企業也早於在2018年組建團隊,進行相關研發工作。

我國對於固態鋰金屬電池的佈局也不晚,早在2017年,贛鋒鋰業就佈局固態鋰金屬電池的相關產業鏈,當年就對外宣佈,計劃以不超過2.5億元投資建設第一代固態鋰金屬電池研發中試生產線。並且與固態電池專家、原中科院材料所研究員許曉雄博士達成戰略合作協議,目標在3年內實現固態鋰電池產業化。此外,像寧德時代、比亞迪等巨頭公司均有固態鋰電池領域的佈局。

“對症下藥”

不管是學術界還是資本界,對於固態鋰金屬電池的追捧都可以説是漸趨瘋狂,究其原因在於,其能極大緩解新能源汽車發展過程中的“安全焦慮”和“里程焦慮”。

而安全性和能量密度是目前傳統鋰離子電池存在的兩大短板。

對於汽車市場而言,如何保障安全無疑是頭等大事,但近年來,新能源汽車發生的安全事故並不在少數。

據《動力電池安全研究報告》不完全統計,2021年共發生了50多起新能源汽車着火事故,大部分由電池熱失控引起,動力電池安全問題儼然成為新能源汽車行業發展的攔路虎。

據瞭解,鋰離子電池在使用過程中產生的樹突或枝晶是電池着火的根本原因。

樹突或枝晶像根一樣長入電解質並刺穿分隔陽極和陰極的屏障,進而導致鋰離子電池短路,而固態鋰電池採用類似三明治的多層結構可防止枝晶結構生成。

所謂三明治的多層結構是指,將電池想象成三明治,首先一層是麪包(鋰金屬陽極),然後是生菜(石墨塗層),接下來是一層西紅柿(第一種電解質)和一層培根(第二種電解質),最後是另一層西紅柿和最後一塊麪包(陰極)。在這種設計中,樹突在“生菜”和“番茄”中生長,但在“培根”處停止。“培根”屏障阻止枝晶穿過使電池短路,從而防止了故障產生。


簡單點來説,相比傳統鋰離子電池,固態鋰金屬電池的安全性更高。

近幾年來,新能源汽車的車輪駛向了更廣的區域,新能源汽車不僅作為通勤的工具,更是家庭出遊的首選。

消費者對於新能源汽車的需求催生了新能源汽車更高的續航要求,而動力電池無疑是是滿足這一需求的重要載體,具體而言,即如何提高電池的充電速度和續航里程,這要求電池有更大的能量密度。

目前市面上的動力電池主要以磷酸鐵鋰和三元鋰電池為主,磷酸鐵鋰電池在安全性能層面優於三元鋰電池,但能量密度遠不及三元鋰電池,目前市場上三元鋰電池的能量密度大致在300Wh/kg。

據我國《節能與新能源汽車技術路線圖》,到2030年,電動汽車對於動力電池能量密度的需求將超過500Wh/kg,目前市場上不管是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池都無法滿足該需求。

而固態鋰金屬電池或將成破局的關鍵。

未來已來?

市場上傳統鋰離子電池正極材料的能量密度表現已經逼近其理論值,近幾年來,如何進一步提升能量密度成為了討論的焦點。固態鋰金屬電池的提出,使得這一話題有了新的討論載體,行業內對於固態電池的研究的熱度也持續不減。

正如上面所言,相比傳統鋰離子電池,固態鋰金屬電池有着得天獨厚的技術優勢,被市場寄予厚望,然而事實上,固態鋰金屬電池的進展卻遠不如預期。

目前,固態鋰金屬電池也迎來一定程度的量產,但在實際生產過程中,相對於傳統鋰離子電池的優勢並不明顯。

一方面,固態鋰金屬電池仍面臨着技術難關, 目前固態電池距離預設的高性能固態電池系統仍有差距,保留部分的電解液,並不是理想上的全固態。在文章前半部分我們提到,固態鋰金屬電池採用類似三明治的多層結構可防止枝晶結構生成,從而減少着火事故,但在實際量產中,仍然有鋰離子的外漏。

另一方面,固態鋰金屬電池的相關產業鏈發展並未完善,現階段固態鋰金屬負極電池的實際成本高於液態鋰離子電池。

固態鋰金屬電池無疑是發展的一大風口,“固態鋰金屬電池是動力電池的未來”説法也似乎有理可據,但未來多久才來?還得看技術的完善和商業化進展。

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資料來源:雷鋒網
作者/編輯:黃麗婷

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