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风口上的固态电池,该泼一盆冷水

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被视为下一代电池的“固态电池”,可能在近5-10年内都无法大规模量产应用。

固态电池是一种使用固态电极与电解质的电池,相较于锂离子电池而言具有更高的能量密度,同时更加安全。因此更加适合电动汽车使用,被视为电动汽车的“救星”,在新能源车逐渐升温的今天,固态电池同样备受资本关注,并获得大量投资。

即便是站在风口上,固态电池的实际情况可能并没那么乐观。近日,专注新能源、电动汽车等领域的韩国研究机构SNE发表了一篇文章,也给固态电池的量产落地泼了一盆冷水。

 图源:SNE官网
图源:SNE官网

SNE公司在今年的“下一代电池研讨会”(Next Generation Battery Seminar (NGBS))上,对全固态电池展开了讨论。该公司认为,依目前的情况来看,全固态电池的产业化还存在诸多问题,可能在2030年前都很难实现大规模量产。

SNE首先指出了固态电解质在技术层面存在的问题。全固态电池如果从电解质的角度来分类,大致可分为硫化物基、氧化物基和聚合物基三类,然而每一类电解质都存在着不同的技术问题。

硫化物基电解质具有较好的离子电导率,但化学稳定性较差,在潮湿环境下易与空气中的水和氧气发生反应,产生有毒气体硫化氢。

氧化物基电解质虽然在空气中具有更好的稳定性,但对制造工艺要求很高,需进行高温烧结陶瓷工艺生产,这种制造方法能耗高且耗时长,且超薄固体电解质片的形式,在批量生产上更是十分困难。

而聚合物基电解质相对与其他两种电解质材料而言要容易制造的多但问题在于这类电解质在室温下只能提供10-7S/cm离子电导率甚至远低于液态电解质10-3S/cm的常规离子电导率此外聚合物基电解质的耐高压型也较差只能适配磷酸铁锂阴级限制了应用聚合物基电解质电池的能量密度

其次,SNE则指出了全固态电池的另一大痛点——成本。全固态电池的成本高昂,主要受限于两点,第一是原材料的成本问题,例如锂硫化物的价格是碳酸锂的5-10倍左右;第二则是全固态电池对于生产环境与原材料纯度的要求极高,导致对于生产设备的投资较高。

因此,基于目前的情况来说,SNE预计全固态电池的成本至少是锂离子电池的两倍。这对于本就寻求进一步降低成本的电动汽车而言,倒像是在做背道而驰的事。此外,之前提到的氧化物基与硫化物基电解质均为易碎陶瓷材料,批量生产大尺寸的电解质薄膜可能存在困难,因此全固态电池的量产初期或只能小规模生产,用于一些对于成本容忍度更高的领域。

 图源:Solid Power
图源:Solid Power

很明显,全固态电池的量产与应用离我们还很远。但也有不少车企与电池企业提出近期就能将固态电池量产并应用。

事实上,这些企业提到的“固态电池”指的并不是真正的全固态电池,而是一种过渡方案——半固态电池。不过SNE更是“不留情面”的指出了半固态电池的问题。半固态电池并不能提高电池的安全性,因为对于绝大多数的半固态电池而言,固态电解质仅仅涂抹在电极或隔膜的表面,但电池依然依赖于液态电解质来进行锂离子交换,这就意味着半固态电池同样存在由液态电解质所引起的漏液、热失控等安全风险。

最终,需要思考一个问题,我们为什么需要全固态电池?普遍来说,全固态电池更重要的意义在于,能带来更高的能量密度。但针对这一观点,SNE依旧给出了不同的观点。其认为全固态电池如果想要提高能量密度,关键在于用锂金属负极代替石墨负极,而不是电解质的材料。这样一来,固态电解质反而存在劣势,因为固态电解质本身比液态电解质及隔膜厚数倍,势必对电池能量密度造成负面影响。因此如果能够应用锂金属负极,才是决定电池能量密度的关键。

 图源:SAMSUNG SDI
图源:SAMSUNG SDI

电池负极材料的研究也是目前的关键之一,并且拥有使用锂金属、硅等材料代替石墨负极的多种技术路线。以硅负极为例,采用这种负极的锂电池能量密度可翻数倍,但同样存在问题,硅材料在发生反应时体积会严重膨胀与收缩,会影响电池的安全与使用寿命。

因此,在能量密度这件事上,可以说全固态电池与此前的锂电池同样面对负极材料的难题不说,如果负极材料的难题得以解决,全固态电池反而还失去了优势。

那么全固态电池是不是只有安全一个优势了?SNE指出,随着技术的逐渐进步,液态电解质同样变得越来越安全。同时,如果应用于未来的锂金属电池,采用液态电解质同样能实现电池性能的全面提升。更重要的是,如果锂金属电池应用液态电解质,则完全可以基于现有的产业链开发,该产业链已具备实现量产化的坚实基础。

文章的最后,SNE总结道,与其过度炒作全固态电池,不如更多的关注即将到来的锂金属电池,其同样具备高能量密度的优势,以推动电动化的发展。

(封面图来源于:Solid Power)

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