固态电池技术在电动汽车的应用

来源：能源情报

原标题：固态电池技术的发展及在新能源汽车中的应用

文/董竹林 山西工程科技职业大学,内燃机与配件

近年来,新能源汽车因其作为缓解能源短缺和减轻环境污染的有效手段而备受瞩目。电池技术作为电动汽车的关键技术之一,其性能直接影响到新能源汽车的续航里程、安全性和经济性。由于动力电池技术的快速发展,为新能源汽车在全球的广泛普及提供了不可或缺的核心支撑。它不仅引领了汽车行业的绿色转型,更助力构建一个更加清洁、环保的美好未来。

目前,新能源汽车中最常见且使用最广泛的电池类型是锂离子电池,其优势在于高能量密度和较长使用寿命。例如,特斯拉ModelS、比亚迪秦、宝马i3、i8等车型均采用锂离子电池。然而,锂离子电池在热稳定性、充放电效率、续航里程等方面面临严峻挑战。在高温环境或电池内部短路等情况下,锂离子电池可能会出现热失控现象,导致电池温度急剧升高,甚至引发燃烧、爆炸等严重事故。

并且在低温环境下,锂离子电池内部的化学反应速率会变慢,离子迁移速度也会受到影响,导致电池的充放电效率降低,充电时间延长,放电容量减小,续航里程会明显缩短。而固态电池作为锂电池的革新和升级,它的能量密度更高,在等体积或等质量条件下,可实现更高的电荷量存储,进而有效提升其续航里程;固态电池还具有较高的机械强度和稳定性,能够为锂金属沉积提供一个相对稳定的界面,在一定程度上能够抑制锂枝晶的生长,所以避免了电解液泄漏导致的短路问题及可能引发的热失控现象。

因此大力发展固态电池技术,将是推动新能源汽车行业技术进步与产业升级的关键驱动力,它能够促使新能源汽车在续航里程、性能稳定性以及安全性等核心指标上实现质的飞跃,增强产品市场竞争力,加速新能源汽车对传统燃油车的替代进程,同时还能为全球能源转型和可持续发展目标的实现提供坚实有力的支撑。

1固态电池技术概述

1.1固态电池分类

固态电池采用固态电解质,离子在固态晶格结构中迁移,与电极材料的相互作用实现电能的存储与释放。充电时,固态电解质内的阳离子会在电场作用下,克服固态晶格的能垒,通过晶格中的间隙位置,从正极向负极迁移。这些阳离子与负极材料结合,完成存储过程。放电时,负极存储的阳离子会再次脱离,反向通过固态晶格结构迁移至正极。同时,电子从负极经外电路流向正极,与迁移过来的阳离子重新结合,完成放电过程。

固态电解质的材料多种多样,常见的固态电解质材料包括硫化物电解质、氧化物电解质、卤化物电解质和聚合物电解质。

(1)氧化物电解质包括NASICON型、钙钛矿型、石榴石型、锂超离子导体型等。氧化物电解质能形成结构稳定的锂离子传输通道,其具有离子电导率高、机械强度高、空气稳定性好、电化学窗口宽等优点。

(2)硫化物固态电解质分为晶态与非晶态两大类,非晶态硫化物固态电解质以LPS型(即硫代磷酸盐)为代表,晶态硫化物固态电解质包括Argyrodite型(又称硫银锗矿型)、LGPS型(锂锗磷硫型)以及Thio-LISICON型(硫代-锂快离子导体型)。硫化物固态电解质具有以下优点:具有较高的离子传导能力,其室温离子电导率可高达10-2S/cm,显著高于传统氧化物电解质,这使得电池在充放电过程中离子迁移速度更快。具备良好的机械性能与加工性能,它质地相对柔软,可塑性强,易于成型,能够与电极材料实现良好的界面接触,有效降低界面电阻,提高电池的整体性能。然而硫化物固态电解质具有较差的电化学与化学稳定性、较差的空气稳定性以及高成本等,这些缺陷使它在动力电池中的推广应用受到极大限制。

(3)聚合物固态电解质是指具有能够传导锂离子的高分子材料。聚合物固态电解质中的重复单元含有特殊官能团,这种官能团能够与锂离子之间具有较强的相互作用,从而能够解离锂盐,通过高分子链段的运动传导锂离子。聚合物具有加工性好、界面相容性好等优势,但是其室温锂离子电导率较低,机械性能较差,这些导致了其应用受到了很大的限制。

(4)卤化物固态电解质的研究主要分为三类体系:“第3族金属卤化物”由第3族金属如Sc、Y和La-Lu组成的卤化物固态电解质,具有很好的固有电化学氧化稳定性和不错的离子导电性。“第4族金属卤化物”由Zr和Hf形成的卤化物固态电解质,代表性材料为Li2ZrCl6,它具有高离子导电性,最高可达10-3S/cm。虽然卤化物固态电解质具有高离子电导率、良好的化学稳定性和优异的机械性能,但由于其通常由成本较高的金属元素组成,因此它们的实用性仍然受到质疑。

1.2技术发展历史与现状

固态电池技术的发展历程可追溯至20世纪70年代,早期的研究主要集中在固态电解质材料的探索上。1980年,日本电气通信大学的研究团队首次提出了氟化锂和氟化氢化合物作为固态电解质的可能性,为固态电池的发展奠定了基础。1991年,松下公司与东京大学合作开发的多层固态电池系统首次被成功应用,并向市场推出了充电效率较高的固态电池原型。

进入21世纪,固态电池技术逐渐成熟,关键材料的优化显著提升了电池性能。2010年,采用氧化物与聚合物复合材料的固态电池受到关注,特别是氧化锂的导电性可以达到10-3S/cm的水平,使电池在低温环境下性能得以改善。2015年,丰田公司宣布在固态电池技术上取得突破,成功实现室温下的7.5mAh/cm2的能量密度,再次推动了市场对固态电池的期待。2016年,又有学者制成基于高电导率石榴石结构电解质的全固态电池,在增加电极厚度的情况下仍能获得较高容量。

2024年4月,重庆太蓝新能源公司成功研发出的全固态锂金属电池能量密度高达720Wh/kg,它采用高克容量、长循环富锂锰基材料作为正极,负极选用复合锂金属基材料,具有超宽、超薄特点,兼具高循环稳定性和高倍率性能,这一成果刷新了体型化锂电池单体容量和最高能量密度的行业纪录,有望从根本上解决传统锂离子电池的续航和安全焦虑问题。

宁德时代早在2016年就启动了固态电池研究,到2024年,研发团队已扩充至1000多人,投入资金超百亿,成功攻克“固-固界面”接触难题,使固态电池循环寿命超2000次。从行业格局来看,多家车企已与宁德时代展开合作,未来随着技术持续升级与成本控制优化,宁德时代有望推动固态电池在新能源汽车领域广泛应用,重塑行业格局。

当前,固态电池在新能源汽车中的实际应用还面临一些挑战。固体电解质的离子导电性仍是关键技术瓶颈;氟化物和硫化物固体电解质的界面稳定性和电极相容性需进一步优化。SionPower及A123Systems等公司正在探索大型固态电池的生产工艺,希望以规模化的方式降低生产成本,同时提升单体电池能量密度。根据行业预测,固态电池的市场年复合增长率预计在2025~2030年间达到30%以上,外部投资与技术研发持续增多。整体看来,固态电池以其优异的性能及安全特性,展现出在未来新能源汽车行业的重要潜力和应用前景。

2固态电池关键材料研究

2.1固态电解质材料

固态电解质材料作为固态电池的核心构成要素,在决定电池整体性能表现方面发挥着关键作用。其中,氧化物电解质如锂镧氧化物(LLZO)和锂钛氧化物(LTO),具有优异的化学稳定性和热稳定性,导电率可达10-3S/cm,在室温下可实现优良的电导性能。但其固有的离子导电性常因颗粒界面和晶界的影响而降低,研究者通过改进制备工艺,如采用溶胶-凝胶法和固相反应法等,成功提升了其离子导电率。

硫化物电解质,如Li2S-P2S5体系,具有高达10-2S/cm的离子导电率,且界面进行良好。硫化物材料的加工优越性,使其能够在常温下实现高密度固态电池的制备。其主要挑战在于湿度敏感性和化学稳定性。为解决这一问题,掺杂改性和复合材料的研究显示出良好的前景,诸如加入氮、硼等元素以改善其稳定性。

聚合物电解质如聚苯乙烯磺酸锂(PSS-Li)和聚合物电解质复合材料,因其柔性和安全性,适用于某些轻量化的新能源应用。典型的聚合物电解质导电性较低,约在10-6~10-4S/cm之间,但通过聚合物与无机担体的复合,可以有效提高其离子导电率。

2.2正负极材料创新

在固态电池研究中,正负极材料的创新至关重要。负极材料方面,硅及其合金因其理论比容量高达4200mAh/g,成为研究焦点。通过纳米化处理、聚合物基复合材料、碳包覆等方法,解决了硅在充放电过程中体积膨胀的问题,从而提升了循环寿命。例如,通过采用高导电性碳材料包覆纳米硅颗粒,提高了电导率,延长了电池的使用寿命。

提高固态电池正极材料容量需综合多维度策略:选择富锂锰基、硫基等高比容量材料并通过掺杂别的元素优化其性能,从而提升容量。例如,在传统的锂钴氧化物(LiCoO2)正极材料中引入镍(Ni)、锰(Mn)等其他金属元素,形成富锂层状氧化物,这样可以提高材料的锂离子嵌入和脱嵌能力,从而提高正极材料的比容量。还可以将正极材料制备为纳米级颗粒或一维纳米线(如LiCoO2纳米线),可缩短锂离子和电子的传输路径,从而显著提升反应动力学,以提高正极材料的容量。

在表面改性方面,掺锂材料(如Li-richNMC)显示出350mAh/g的能量密度,通过调节合成条件,提高了其高倍率放电性能。涂覆不同电解液浸渍的碳材料,改进了材料与电解液界面的接触,提高了反应动力学,从而改善了电池的整体性能。高温性能也是正负极材料创新的重要方向。采用离子导体和高熵合金作为固态电解质,能够有效提升高温下的稳定性。通过优化材料成分和工艺,如引入镁、铝等元素来形成复合相,以实现其在350℃下的稳定工作。

3固态电池在新能源汽车的应用

固态电池技术在新能源汽车领域发展迅猛,其应用现状主要体现在多个关键维度。能量密度上,其优势显著,赋予新能源汽车出色的续航能力,可满足消费者对长里程的需求。安全性方面,固态电池采用固体电解质,规避了液态电解质易燃风险,研究显示,极端状况下,其热失控温度比传统锂电池高约200℃,极大地提升了车辆的安全性。充电维度,固态电池支持高达5C的充电速率,大幅缩减充电时长。

在国内,宁德时代、上汽集团、广汽埃安、太蓝新能源等企业通过多维度技术创新与产业协同升级,在能量密度提升与成本优化方面取得显著进展。上汽智己L6搭载的“光年固态电池”,该电池能量密度超过300Wh/kg,助力智己L6续航里程超过1000km,且凭借400kW的超快充电功率,能实现12min为电动汽车增加超400km续航。

广汽埃安自主研发的原位生长固态电解质界面修饰技术,成功将电池能量密度提升至350Wh/kg以上。宁德时代发布的固态电池其单体能量密度最高可达500W·h/kg,它采用凝聚态电解质,不易燃、零挥发,显著提升热稳定性,通过构建微米级别自适应网状结构,调节链间相互作用力,在增强微观结构稳定性的同时,也降低了安全风险。奇瑞汽车与太蓝新能源的技术合作展现出独特的创新路径,双方联合开发的无隔膜固态锂电池技术,通过纳米级离子通道调控与三维导电网络构建,在保持高安全性的同时,实现了600Wh/kg的单体能量密度目标。

日产、丰田等日系车企,依靠在汽车制造与电池技术方面的长期积累,在固态电池量产化进程上加速前行。日产发布的HyperFrceo纯电动高性能概念跑车,可实现1000kW的峰值功率输出,支持毫秒级响应的精准加速;而丰田汽车则与出光兴产公司联合研发硫化物固态电解质,并将搭载这种全固态电池的纯电动车于2027~2028年实现量产并推向市场。这些车企在固态电池技术研发领域的战略布局,显著加速了新能源汽车技术的快速迭代,为将来新能源汽车市场开拓出更为广阔的发展空间。

4结语

固态电池作为新兴电池技术的典型代表,展现出极为广阔的市场潜力与发展前景。综合分析固态电池技术可得出以下几点结论:第一,固态电池能量密度高、充放电效率好、机械强度高,有效满足了新能源汽车对续航里程、充电时间及安全性的要求。第二,固态电池仍面临诸多技术和经济的挑战,其中固体电解质的成本、制造工艺的复杂性以及循环寿命等问题亟待改善。第三,大规模的新能源车普及带来了电动汽车充电难、城市配电网的负荷压力大、充电设施、换电设施、加氢网络、车路协同等一系列的基础建设相对滞后等问题。

国内汽车行业仍需持续提升在固态电池技术研发上的资金投入力度,政府部门应加大充换电设施等的建设,一起推动新能源汽车行业的进步。随着全球对新能源汽车的需求上升,固态电池的技术突破将为行业发展注入新的动力,为实现绿色能源转型奠定基础