固態(tài)電解質(zhì)能解決新能源汽車的安全事故嗎

鋰電安全一直都是行業(yè)關心的問題。由于應用端及政策層面對能量密度的要求不斷提升，三元電池成為主流技術(shù)路線的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。但時至今日，困擾三元電池的安全性仍然沒有得到很好的解決，就連號稱BMS做到全球最好的特斯拉，也是安全事故不斷，2017年僅國內(nèi)就有兩輛Model S發(fā)生嚴重起火事件，三元電池的安全性仍然受到大家的質(zhì)疑。

面對行業(yè)發(fā)展的痛點，行業(yè)專家、企業(yè)都在不斷尋找新的發(fā)展思路，電解液就是其中一個思路。眾所周知，電解液是鋰離子電池不可或缺的重要組成部分，是鋰離子電池獲得高電壓、高循環(huán)性能等優(yōu)點的必備條件。鋰離子電池通常采用有機溶劑作為電解液，而這類有機溶劑極易燃燒，電池一旦由于內(nèi)短路產(chǎn)生高溫或者火花，電解液將在瞬間被點燃并導致整個電池發(fā)生爆炸。新的思路是，將易燃的液態(tài)電解液，變成固態(tài)電解質(zhì)，降低因為易燃而導致的安全風險，同時也能獲得更好的性能。隨著新能源汽車的發(fā)展，高能量密度、高安全性電池成為市場的必爭目標。有專家認為，利用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)電解質(zhì)是從本質(zhì)上提升鋰電池安全性的必由之路。

美國麻省理工學院博士后王燕(音譯)和材料與工程學教授格布蘭德·塞達爾表示，固態(tài)電解質(zhì)將是“一個真正的游戲規(guī)則顛覆者”，它將打造出一款完美的電池——固態(tài)電解質(zhì)電池，解決目前鋰離子電池所面臨的絕大多數(shù)問題，讓電池的壽命、安全性以及成本之間實現(xiàn)最佳平衡。

那么固態(tài)電解質(zhì)電池具有怎樣的魅力呢?

北京理工大學電動車輛國家工程實驗室、中國電工技術(shù)學會電動車輛專業(yè)委員會委員孫立清曾表示，固態(tài)電解質(zhì)電池將是下一個風口，是新能源電池未來主要發(fā)展趨勢。相較于傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)鋰電池的差異在于電解質(zhì)固態(tài)化，理論上存在一定的優(yōu)勢。

圖為固態(tài)電解質(zhì)原理圖

安全性能高。由于液態(tài)電解質(zhì)中含有易燃的有機溶液，發(fā)生短路溫度驟升時容易發(fā)生燃燒和爆炸，需要安裝抗溫升和防短路的安全裝置結(jié)構(gòu)。而固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，因而全固態(tài)電池具有極高安全性。

能量密度高。目前，市場中應用的鋰電池能量密度為200Wh/kg，如果采用固態(tài)電解質(zhì)，鋰電池能量密度基本可達300-400Wh/kg，幾乎翻了一番。

相對較輕。相比液態(tài)電池，相同容量的電池組，固態(tài)電解質(zhì)電池相對較輕。比如特斯拉-松下生產(chǎn)的三元鋰電池組質(zhì)量達到900kg，而固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司Seeo Inc生產(chǎn)的相同容量電池組的質(zhì)量卻只有323kg，接近前者的三分之一。

循環(huán)性能強。固態(tài)電解質(zhì)解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)界面膜的問題和鋰枝晶現(xiàn)象，大大提升了鋰電池的循環(huán)性和使用壽命，理想情況下循環(huán)性能表現(xiàn)優(yōu)異，能夠達到45000次左右。

固態(tài)電解質(zhì)擁有更優(yōu)勢的同時，也存在一定的缺點，這也是將固態(tài)電解質(zhì)電池止步于商業(yè)化的主要原因。

圖為全固態(tài)鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖以及電池性能

界面阻抗過大。與傳統(tǒng)鋰電池相比，固態(tài)電解質(zhì)電池的固-固界面存在電極與電解質(zhì)之間有效接觸較弱，離子在固體物質(zhì)中傳輸動力學低等問題，為了避免因空間電荷層導致的高界面阻抗，專家不斷進行實驗，期望早日突破。

快充比較難。固態(tài)電解質(zhì)電池有倍率性能很低的LiPON系列電池(實際上氧化物體系的電解質(zhì)普遍倍率性能不佳)，也可以基于硫系高性能電解質(zhì)做出高倍率還不錯的固態(tài)鋰硫電池。但是總體來說，作為動力電源使用，固態(tài)電解質(zhì)電池在高倍率性能方面還是有很多挑戰(zhàn)的。

成本價格高。據(jù)了解，液態(tài)電解質(zhì)鋰電池的成本大約在200-300美元/千瓦時，如果使用現(xiàn)有技術(shù)制造足以為智能手機供電的固態(tài)電解質(zhì)電池，其成本會達到1.5萬美元，而足以為汽車供電的固態(tài)電解質(zhì)電池成本更是達到令人咋舌的9000萬美元。

其實，固態(tài)電解質(zhì)電池并不是新鮮內(nèi)容。中國工程院陳立泉院士曾表示，如果現(xiàn)在還不布局全固態(tài)電池，將會錯失發(fā)展時機。企業(yè)看好固態(tài)電池的前景，紛紛布局。早在2010年，豐田就一直在固態(tài)電池領域默默探索。但是一直沒有起色，直到2016年12月份向美國專利局提交的固態(tài)電池專利終于獲批，博得各大版面的頭條。

據(jù)美國專利局公示的豐田固態(tài)電池專利申請內(nèi)容，豐田研發(fā)的固態(tài)電池的電解質(zhì)由硫化固態(tài)電解質(zhì)材料構(gòu)成，其中包含鋰、磷、硫和碘元素，電極活性材料層則添加了特殊的磷酸酯，改善了電池的熱穩(wěn)定性。

技術(shù)和材料的進步，讓國內(nèi)外越來越多的機構(gòu)和企業(yè)看到了固態(tài)電池的光明前景，紛紛投入到固態(tài)電池的研發(fā)和生產(chǎn)中來，國外在這一領域起步較早并取得了一定的成果，大致情況如下：

從上表可以看出，聚焦固態(tài)電池不止有國外機構(gòu)，還包括不少的國內(nèi)機構(gòu)。目前國內(nèi)從事固態(tài)電池研究的機構(gòu)企業(yè)主要有中科院化學所、中科院青島能源所、中科院寧波材料所、寧德時代、中航鋰電、珈偉股份、橫店東磁、臺灣輝能等。這些企業(yè)也已取得一定突破，具體情況如下：

珈偉股份：2016年11月15日珈偉股份公司在上海發(fā)布了全球首例固態(tài)鋰電池與快充鋰電池，同時表示，將全力加速固態(tài)鋰電池與快充鋰電池的合體，將更深一層的安全保障與超強性能合二為一。

寧德時代：寧德時代研發(fā)經(jīng)理郭永勝表示，寧德時代正在積極布局動力電池下一代技術(shù)，在固態(tài)鋰電池方面的投入研發(fā)比較多，同時也在開發(fā)固態(tài)電池的制造工藝。

此外，橫店東磁也表示，將組織研發(fā)固態(tài)電池。

固態(tài)電解質(zhì)作為未來電池技術(shù)方向之一，盡管在電解質(zhì)材料以及成本、工藝上還有相當長的路要走，但面對其巨大的商業(yè)價值空間，一定還會有更多電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)投入其中。而隨著研發(fā)技術(shù)的推動和深入，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的步伐也將離我們越來越近。