固態(tài)電池的技術(shù)分類

電池技術(shù)一直是許多消費(fèi)產(chǎn)品下一次迭代的關(guān)鍵。它在電池壽命和便攜性方面直接抓住了產(chǎn)品的脈搏。任何一個(gè)小小的進(jìn)步都是消費(fèi)產(chǎn)品的一大進(jìn)步。當(dāng)然，對于汽車來說也是極其關(guān)鍵的。在向電氣化轉(zhuǎn)型的過程中，新能源汽車的動(dòng)力電池能否得到質(zhì)的提升，將直接影響未來十年汽車的發(fā)展節(jié)奏。

此前，豐田官方曾提到，在所有新形態(tài)的電池技術(shù)中，固態(tài)電池被認(rèn)為是最接近量產(chǎn)的產(chǎn)品，其高能量密度、高電壓甚至柔性的特性，使其相比傳統(tǒng)動(dòng)力電池大步向前。到目前為止，固態(tài)電池發(fā)展到了什么程度，距離量產(chǎn)還有多遠(yuǎn)？本文將從多個(gè)方面與大家分享一些信息。

●固態(tài)電池技術(shù)路線

固態(tài)電池目前有許多技術(shù)系統(tǒng)，包括硫化物、氧化物、薄膜和固體聚合物。在早期固態(tài)電池技術(shù)的推廣中，薄膜和固態(tài)聚合物技術(shù)是主要趨勢。在過去的幾年里，博世和戴森公司一直在增加對這兩項(xiàng)固態(tài)電池技術(shù)的投資，但這兩家公司的做法都是通過收購來追趕電池技術(shù)。

然而，薄膜和固體聚合物技術(shù)存在“高成本”和“低電導(dǎo)率”兩個(gè)致命問題。比如薄膜技術(shù)在室溫下無法達(dá)到高電導(dǎo)率，需要不斷加熱并維持在60°才能保證高電導(dǎo)率。因此，在很多早期試產(chǎn)固態(tài)電池的車輛中，電池都是依靠持續(xù)加熱，導(dǎo)致自身功率損耗，但實(shí)際上，它們并不能發(fā)揮其他優(yōu)勢。

豐田一直專注于硫化物固態(tài)電池技術(shù)的開發(fā)，但硫化物本身活性高，在生產(chǎn)和使用中一旦接觸到水，就會(huì)產(chǎn)生硫化氫。硫化氫是一種易燃的危險(xiǎn)物質(zhì)，與空氣體混合時(shí)會(huì)形成爆炸性混合物，暴露在明火和高熱下會(huì)引起燃燒和爆炸。因此，雖然硫化物固態(tài)電池技術(shù)路線的生產(chǎn)成本低于薄膜技術(shù)，但從制造端到應(yīng)用端，保障安全的門檻更高，這實(shí)際上從另一個(gè)角度增加了開發(fā)成本。

最后一條氧化物技術(shù)路線也有自己的缺點(diǎn)。氧化物本身的穩(wěn)定性導(dǎo)致高脆性，對生產(chǎn)的要求更高，并且在導(dǎo)電性方面沒有優(yōu)勢。然而，與其他三條路線相比，廣義而言，克服生產(chǎn)難度比克服成本和安全性更容易。因此，在本期的文章中，我們還采訪了一家目前接近市場化的固態(tài)電池技術(shù)公司，了解陶瓷氧化物固態(tài)電池的一些技術(shù)優(yōu)勢，以及與傳統(tǒng)動(dòng)力電池相比的優(yōu)勢。

在CES 2019上，我們參觀了專門從事鋰電池技術(shù)研發(fā)的供應(yīng)商惠能科技公司。自2021年成立以來，用了8年時(shí)間攻克了陶瓷氧化物技術(shù)，固態(tài)電池技術(shù)也是公司目前的核心研發(fā)項(xiàng)目。這項(xiàng)技術(shù)被稱為LCB固態(tài)鋰陶瓷電池，其技術(shù)特點(diǎn)是:高能量密度、高電壓，針對目前純電動(dòng)汽車。

●能量密度是與生俱來的優(yōu)勢。高壓如何實(shí)現(xiàn)？

傳統(tǒng)動(dòng)力電池只能實(shí)現(xiàn)外串聯(lián)，不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)串聯(lián)，因?yàn)閱误w電池內(nèi)部使用的是液體電解質(zhì)，負(fù)載電壓超過5V，容易分解甚至爆炸。但是固態(tài)電池有這樣的先天優(yōu)勢。固態(tài)鋰陶瓷電池可以先在電池內(nèi)部串聯(lián)，這樣單個(gè)電池單體的額定電壓最大串聯(lián)可以從7.4V疊加到60V，單個(gè)電池單體的電壓要比傳統(tǒng)動(dòng)力電池高很多。

在內(nèi)部串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高電壓支持后，固態(tài)電池也可以實(shí)現(xiàn)雙極電池技術(shù)，這對于傳統(tǒng)動(dòng)力電池來說也是不可能的。單體電池串聯(lián)疊放時(shí)，加入上下兩層導(dǎo)電材料實(shí)現(xiàn)雙向正負(fù)極連接，再與另一個(gè)電池組橫向再次串聯(lián)，最高可實(shí)現(xiàn)24節(jié)單體電池雙向正負(fù)極連接的4×6串聯(lián)技術(shù)，電壓也會(huì)再次疊加，形成完整的單體電池組。

最后將6個(gè)24個(gè)串聯(lián)的電池組疊裝在鋁殼中，形成單個(gè)固態(tài)電池組，容量可達(dá)20kWh以上，單個(gè)固態(tài)電池組系統(tǒng)能量密度可達(dá)255Wh/kg，2021年將增至270Wh/kg。這個(gè)系統(tǒng)能量密度的概念是什么？你可以對比一下2021年中國新能源汽車的補(bǔ)貼政策。

目前，國內(nèi)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度仍維持在140wh/kg左右。

理論上BMS電控系統(tǒng)應(yīng)該會(huì)隨著密度和電壓的增加而變得更加復(fù)雜，但實(shí)際上固態(tài)電池的管理系統(tǒng)也進(jìn)行了簡化，再次降低了整個(gè)電池組的重量和體積，這也是系統(tǒng)能量密度更高的原因之一。

固態(tài)電池的優(yōu)勢之外，有何不足？

低密度和電壓雙增加，如何解決散熱？

在散熱方面，固態(tài)電池也有先天優(yōu)勢。從充滿電到放電結(jié)束，電池溫度將保持在26度以內(nèi)，而目前圓柱形電池的溫度在整個(gè)放電過程后將在40度以上。雖然目前固態(tài)電池技術(shù)采用水冷，就像圓柱電池一樣，因?yàn)槠浞烹姕囟瓤梢员３州^低，散熱成為另一大優(yōu)勢。

基于固態(tài)電池本身的低放電溫度，在散熱方式上可以進(jìn)行更多的優(yōu)化。比如在電池和電池組之間加入散熱膠，然后熱量會(huì)通過散熱膠傳導(dǎo)到電池組兩側(cè)的水流散熱器，進(jìn)一步減少水流散熱的體積和重量。

固態(tài)電池技術(shù)提供商也表示，與傳統(tǒng)動(dòng)力電池相比，這種尖端電池技術(shù)具有增加密度的優(yōu)勢。在固態(tài)電池本身具有密度優(yōu)勢的前提下，仍然需要通過其他手段繼續(xù)優(yōu)化整組的密度疊加。因此，對于整個(gè)電池組而言，應(yīng)盡可能減少其他導(dǎo)線或散熱系統(tǒng)的空空間和重量占用，使電池組能夠有最大的整體密度提升。

冷卻系統(tǒng)和BMS電池控制系統(tǒng)目前在圓柱形電池組中實(shí)際上占據(jù)了很大的空。有人討論過方形電池組是否比圓柱形電池組有更好的密度優(yōu)勢。原因是方形電池組的散熱布局占用空間較小，當(dāng)然液體電池也有同樣的優(yōu)勢。

●固態(tài)電池的壽命和衰減是否有優(yōu)勢？

領(lǐng)先密度優(yōu)勢下，壽命和衰減有優(yōu)勢嗎？固態(tài)電池技術(shù)人員也表示，其實(shí)相比傳統(tǒng)動(dòng)力電池，固態(tài)電池其實(shí)并沒有明顯的壽命優(yōu)勢，這也是目前該技術(shù)需要繼續(xù)攻克的方向，因?yàn)槿绻麎勖退p能力無法提升，固態(tài)電池的成本仍然無法支撐其大規(guī)模量產(chǎn)。

至于優(yōu)化固態(tài)電池壽命的技術(shù)手段，將通過更細(xì)的電壓檢測線來降低“檢測損耗”，提高“檢測精度”，好處是讓電池的充放電效率更高。與傳統(tǒng)動(dòng)力電池相比，電壓檢測的損耗更小，通過改變方向來提高電池壽命。目前，關(guān)于固態(tài)電池的具體壽命和衰減，技術(shù)廠商表示，經(jīng)過1000次充滿電和放電后，電池仍能保持88%的原始壽命。

●固態(tài)電池的充電效率有優(yōu)勢嗎？

固態(tài)電池的充電效率并不比現(xiàn)在的鋰電池高多少。在相同的能量密度下，固態(tài)電池的充電時(shí)間應(yīng)該在一小時(shí)左右，但目前的鋰電池也有同樣的充電效率。此外，在電池壽命方面，固態(tài)電池在500次滿充放電后仍能保持84%的使用壽命，數(shù)據(jù)與目前的電池技術(shù)基本一致。但報(bào)告中也提到，固態(tài)電池中電極吸收離子的效率更高。雖然目前充電效率并不理想，但仍有發(fā)展空間空。

摘要

目前，PLG的陶瓷固態(tài)電池技術(shù)處于小規(guī)模量產(chǎn)狀態(tài)，并表示已與歐美、日、中的汽車公司溝通供貨事宜。基于這種電池技術(shù)，目前歐洲有四款試駕車，但官方表示不方便透露具體的汽車品牌。目前還在建設(shè)固態(tài)電池Gigafactory工廠，預(yù)計(jì)2021年正式投產(chǎn)，這也是固態(tài)電池量產(chǎn)的信號(hào)。另一條路線是將“固態(tài)電池技術(shù)IP”許可給其他電池廠商或汽車廠商作為技術(shù)供應(yīng)商，推動(dòng)固態(tài)電池的發(fā)展，這一愿景的時(shí)間點(diǎn)將定在2022年。

按照“中國制造2025”的技術(shù)目標(biāo)，鋰電池的能量密度到2021年將達(dá)到300Wh/kg，到2025年將達(dá)到400Wh/kg，因此固態(tài)電池技術(shù)仍是全球最受關(guān)注的發(fā)展方向。目前中國汽車品牌在固態(tài)電池后續(xù)方面還沒有看到具體進(jìn)展，但遵循“越接近量產(chǎn)越保密”的行業(yè)規(guī)律，中國汽車品牌接下來能帶來怎樣的驚喜？