Battery of the Future - Solid State Lithium

Home8雲端系統四大專利：安全性、省電簡易、雲端通報

來源：锂电大数据

日前，有媒體從美國媒體Motor1獲悉，豐田將推出一款全新電動車，配備目前正在研發的全固態電池，這款固態電池可大幅提升全新電動車的續航里程，並且縮短充電時間。這款新固態電池電動車預計將於2022年正式上市。

無論是出於政策的支持，還是滿足環保法規的考慮，抑或是因為資本的青睞，純電動汽車的普及，都已成為未來的必然趨勢。主流汽車廠商已經表態，2020年之後純電動汽車將會成為主流，燃油汽車則逐漸淡出歷史舞台。

當然，即便這一切終將成為事實，但從目前整個汽車行業的發展來看，純電動要成為主流尚需時日，主要原因無非幾方面：成本高、充電難、續航里程和充電時間局限。

所以，目前似乎混合動力技術更適合形勢。不過，一直主打混動領域的豐田，已經計劃進軍純電動市場，並計劃要靠一塊「固態電池」鬧一場革命，那麼這塊固態電池到底有什麼魔力呢？今天小編帶大家看看吧！

目前無論是數位電子，還是汽車行業，鋰電池都是最主流的技術之一，然而鋰電池始終避不開安全問題，尤其在汽車領域，鋰電池的散熱問題，需要嚴格的熱管理系統加以規避。

其次，目前純電動汽車無法大範圍普及，最主要的一個原因是鋰電池的能量密度降低，限制了續航里程的提升，再者即便是大量使用了快充技術，鋰電池的充電時間也是有瓶頸的，無法徹底達到消費者的期許。

Panasonic Hints At 'Beyond Lithium' Technology For EV Battery ...

比起鋰電池，固態電池似乎有著不可取代的優勢

第一，固態電池里沒有氣體、沒有液體，所有材料都以固態形式存在，與鋰電池相比穩定性與安全性更好；固態電池本身高安全性、高溫穩定性、可能達到的柔性等其它多功能特性；

第二，固態電池的能量密度一般是鋰電池的兩倍，這直接決定了純電動汽車的續航里程，如果說目前鋰電池的純電動汽車，續航瓶頸只在500公里左右，那麼採用了固態電池的純電動汽車，續航焦慮基本能徹底解決；

第三，固態電池體積更小、更輕薄，而且可以根據需求調整電池的形狀，如此一來，純電動汽車的電池佈局可以更靈活，也不會過分侵佔車內空間，車身重量的問題隨之得到解決；

固態電池能量密度更高、安全性更高、不會在高溫下發生副反應、同時也不必設計像三元鋰電池那麼複雜的熱管理系統，可以節約成本同時降低重量。一個簡單的對比：特斯拉-松下生產的85kWh電池組質量達到了900kg，而固態電池創業公司SeeoInc相同容量的電池組重量只有323kg。

Nanostructured anode materials for lithium ion batteries - Journal ...

固態電池發展仍需時間

這似乎聽起來很美好，甚至會成為純電動汽車領域的未來之星。但固態電池同樣有著繞不開的缺點：

一、固態電解質電導率，總體偏低，導致了其倍率性能整體偏低，內阻較大，充電速度慢。

二、現階段固態電池的成本依然高昂，而且生產速度慢，過去幾年固態電池受限於容量，更多的只能應用在小型電子產品里。

這也是為什麼特斯拉和松下要孜孜不倦的搗鼓三元鋰電池，還吸引寧德時代、比亞迪、LG化學和三星SDI這些主流動力電池玩家紛紛加入三元鋰電池研發陣列的原因。

總而言之，固態電池的發展還處於早期階段，上面的數據和特性都帶有實驗性質，距離商業化還有一段路要走。下面這張圖是固態電池和鋰電池等近十年來中國專利申請量對比：

從圖中便可看到，固態電池與鋰電池之間的差距，雖說如此，固態電池商業化的攔路虎是成本過高，隨著資本和技術研發的投入不斷加大，成本也會一路下降至可商業化的水平。三元鋰電池就是一個例子，2008年，特斯拉電動跑車Roadster搭載的電池組成本高達1200美元/kWh，到2016年，特斯拉電池組成本已經下降至190美元/kWh。

在固態離子學中，固態電池是一種使用固體電極和固體電解液的電池。固態電池一般功率密度較低，能量密度較高。由於固態電池的功率重量比較高，所以它是電動汽車很理想的電池。

專家預測，2020年固態電池技術研發有望取得突破性進展，在成本、能量密度和生產過程等方面進一步趕超鋰離子電池技術。2030年，鋰離子電池將不再是電動汽車電池主流，但其在某些電子原件領域仍有一席之地。

「如果能量密度進一步提高，大於500瓦時/公斤的話，從現在開始就要考慮固態鋰電池，以及鋰空氣電池、鋰硫電池等新的電化學體系探索研究」，中國工程院院士陳立泉在談到電池的未來發展時也如此表示。

電動汽車產業中長期發展需要進行技術儲備，固態電池有望成為他們中國下一代車用動力電池的重要技術路線。

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未來的技術路線為何會是固態電池？

當今佔據技術主流的是鋰離子電池，但是從長期來看，固態電池或許更能滿足人們，對高能量和高安全性的現實需求。

工作原理上，固態鋰電池和傳統的鋰電池並無區別。傳統的液態鋰電池被稱為「搖椅式電池」，搖椅的兩端為電池的正負兩極，中間為液態電解質。

鋰離子像一個運動員，在搖椅兩端來回奔跑，鋰離子從正極到負極再到正極的運動過程中，電池的充放電過程就完成了。而固態電池只不過其電解質為固態，具有的密度以及結構，可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導更大的電流，進而提升電池容量。

固態電池有很多優勢，發展前景值得期待。其中，兩個最明顯的優勢就是能量密度更高，運行更安全。使用了全固態電解質後，鋰離子電池可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以大大減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高。

現在許多實驗室中，都已經可以小規模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池。固態電池在大電流下工作不會因出現鋰枝晶而刺破隔膜導致短路，不會在高溫下發生副反應，不會因產生氣體而發生燃燒，因此，安全性被認為是固態電池發展的最根本驅動力之一。

當然，現今技術日新月異，發展迅速，固態電池可能是未來電池技術的發展方向之一，但也不能說固態電池就是最好的。此外比如燃料電池、超級電容器、鋁空氣電池、鎂電池等，在理念上都有較大的發展空間，而最終，要看哪種路線發展更快、更接地氣，更能在商業化的規模和成本方面達到完美的平衡點。要達到完美的平衡點，首先，使用的材料必須不能是高成本且稀有的。其次，要在各個行業和領域都有實現大規模應用的可能。

從理論的提出時間來看，固態電池並不是一個新的概念，但多年來，研發上的進展並沒有想象那麼快速。

韓國三星的一位技術人員認為，即便最終能做到成本上的降低，電池從實驗室到最終的量產也需要不短的時間。正如液態鋰電池，在上世紀70年代，相關的理念和實驗認證就在齊頭並進地推進，但真正大規模的使用，已經是20世紀末了。