日本大力發(fā)展固態(tài)電池的原因分析

導(dǎo)讀：新能源電池中三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池都是目前電池的主流方向，但為什么日本會(huì)背離市場(chǎng)之道而大力發(fā)展固態(tài)電池呢？

最近，就有外媒報(bào)道日本在固態(tài)電池方面發(fā)力，三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池我們聽(tīng)的多，為什么日本會(huì)選擇固態(tài)電池作為發(fā)力的方向呢？

原理層面

如今多數(shù)純電動(dòng)汽車(chē)，采用的電池組是以鋰電池為主，其中的結(jié)構(gòu)是充滿(mǎn)在電池內(nèi)部的電解液。電解液是鋰離子來(lái)回移動(dòng)的通道，鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等量電子的嵌入和脫離。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入與脫離嵌入的循環(huán)。

而當(dāng)電池在充電時(shí)，正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。

固態(tài)電池的“固態(tài)”，指的是電池內(nèi)部所使用的不再是電解液，而是采用固態(tài)電解質(zhì)的同時(shí)還能減少電池內(nèi)部的隔離層。

優(yōu)勢(shì)層面

之所以固態(tài)電池開(kāi)始被重視，很大一部分的原因是由其內(nèi)核所引起。一般來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的鋰電池是以石墨為原材料，石墨的理論比容量?jī)H為372mAh/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足高比能鋰離子電池的需求。固態(tài)的電解質(zhì)則能以金屬Li作為負(fù)極，其理論比容量可達(dá)3860mAh/g，是一種理想的高比能電池負(fù)極材料。理論比容量更高的時(shí)候，可以令電池的能量密度提升。

提高了能量密度之后，最大的好處便是實(shí)現(xiàn)相同電池容量單位體積的縮減。換句話說(shuō)，就是電池包的容量不變，但整個(gè)的體積可以得到縮減。并且，少了傳統(tǒng)鋰電池當(dāng)中的隔離層和電解液，不但減少40%的體積和25%的質(zhì)量，還能將正負(fù)極之間的距離減少至幾微米甚至十幾個(gè)微米，為鋰電池的輕薄化發(fā)展提供了技術(shù)的基礎(chǔ)。

除此以外，安全性也因?yàn)殡娊赓|(zhì)的變化而得到進(jìn)步。研究表明液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池在90℃左右就開(kāi)始發(fā)生自放熱反應(yīng)，并在178℃左右引起了電池?zé)崾Э兀捎霉虘B(tài)電解質(zhì)的Li/LFP電池自放熱溫度提高到了247℃以上，并且整個(gè)過(guò)程未發(fā)生熱失控。

短板突破層面

但固態(tài)電池在現(xiàn)階段的短板，讓其仍未能大規(guī)模使用在新能源車(chē)之上。首先是成本問(wèn)題，以如今的水平推算，小規(guī)模生產(chǎn)的成本大概在750-2500美元/每千瓦時(shí)，整個(gè)市場(chǎng)至少要達(dá)到1億個(gè)/年的水平，每千瓦時(shí)的單價(jià)才會(huì)下降至75-240美元的區(qū)間。

其次是固態(tài)電池本身，由于正極制作材料以過(guò)渡金屬氧化物顆粒，正負(fù)極之間以固界面的方式接觸，其接觸面積小使得界面阻抗大，從而影響電池的充電速度和循環(huán)壽命、倍率性能差等問(wèn)題的出現(xiàn)。

而且固態(tài)電解質(zhì)材料限制大，電池整體阻抗和倍率性能低。固體電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心，目前應(yīng)用的固態(tài)電解質(zhì)有三種體系：聚合物、氧化物、硫化物。這三種固態(tài)電解質(zhì)材料共同的缺點(diǎn)是：低離子電導(dǎo)率。低離子電導(dǎo)率會(huì)阻礙鋰離子在電池正負(fù)極之間的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致鋰離子傳輸速度和效率降低，在高倍率大電流下運(yùn)動(dòng)能力變差，電池能量密度和功率密度都將下降。

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