如今,随着各类电子设备、电动汽车以及储能技术的快速推出,人们对使用轻便、安全性高、寿命长和能量密度高的电池技术的需求与日俱增。锂电池虽然使用很普遍,但其性能亦受到限制,故新一代电池技术的创新仍在快速进展。固态电池具有更好的安全性和更长的循环寿命等优势,被业界认为是电池技术的“必杀技”。

锂离子电池自20世纪90年代发明以来,已无缝融入人们的日常生活,这源于其具有令人印象深刻的优点,包括设计轻便、尺寸紧凑、寿命长和能量密度高等。典型的锂离子电池芯结构包括石墨阳极和层状氧化物阴极,涂覆在集电器上,并通过浸泡在有机液体电解质中的分离器来分离。这些电池有袋状、棱柱状或圆柱状等多种结构,以满足许多不用的应用。

基于锂离子电池相对较高的性能、较低的成本和广泛的可用性,从电子设备、电动汽车到大型固定储能系统的广泛应用中,都表现卓越,而且鉴于其突出地位,在未来10年内,不太可能被取代。尽管如此,由于其性能限制以及环境和供应链问题,下一代电池技术仍在不断发展和创新。

固态电池(SSB)被提议作为解决方案之一。简单地说,固态电池利用固态电解质(SSE)取代了易燃的有机液体电解质,因此原则上可以实现更安全、更持久的电池。SSE还可以与传统锂离子电池中不用的其他阴极和阳极材料配对。尽管基于锂离子的SSB将产生更优的性能,但并非所有的SSB都必须基于锂离子化学。

为什么是SSB?

在各种用例中采用电池时,有一些“KPI”值得考虑。SSB具有许多预期的优势,如安全性更好、能量密度更高、循环寿命更长、更耐用、工作温度范围更宽、堆叠紧密、电池设计简化、机械特性可能更灵活等等。另外,SSE还可以与高压阴极材料及高容量锂金属阳极兼容,从而有可能使能量密度超过1000Wh/L。

对于锂离子电池而言,其传统制造由东亚地区主导,该地区国家做出了显著贡献。然而,随着欧美各国加入竞争,一个重大转变正在发生,新战略是把电池产能从东亚转移到更靠近市场应用的地方。

新局面以探索新材料和组件以及重新评估制造工艺为标志。这些为电池供应链的重组提供了可能。从技术和商业角度来看,SSB的开发已成为下一代电池战略的一部分。它已经演变成一项全球努力,其特点是地区利益和各国政府的大力支持。

SSB何时能迈入市场

一个持续存在的问题是:SSB何时会成为市场现实?为了回答这个问题,对SSB进行一个更清晰的定义是很重要的。聚合物SSB已经上市,半/混合/伪SSB正在进行试验,而陶瓷全固态电池(ASSB)仍处于发展阶段。

从最严格的意义上讲,真正的SSB应该只表示那些不存在任何液体或凝胶聚合物的SSB。然而,半/混合动力/伪SSB也可以提供巨大价值,包括提高安全性和提高能量密度,尤其受到汽车原始设备制造商青睐。因此,无论是否包含任何液体物质,在大众眼里,它们也可以被称为“固态电池”。

图1:电池设计考虑因素。(本文图片来源:IDTechEx)

对于所讲的广义SSB,有多种技术解决方案。其中的氧化物、硫化物和聚合物 (每个类别下都有进一步的变异) 解决方案,已成为下一代开发中最受欢迎的选择。一般来说,硫化物电解质具有离子电导率高、比液体电解质更好、加工温度低、电化学稳定性窗口宽等优点。上述特性使其具有吸引力,被许多人认为是最终的SSE选择。然而,其制造难度以及过程中所产生的有毒硫化氢,延缓了其商业化步伐。

聚合物方案易于制造,与现有的制造工艺兼容,并具有现成的商业化实例,然而该解决方案的问题是操作温度相对较高、抗氧化电位较低、稳定性也较差。

氧化物方案对锂金属更稳定,具有良好的电化学和热稳定性。然而,其界面电阻较高,成本也较高,且工艺产率较低,因而总体上也存在一些挑战。

据信,聚合物解决方案最接近商业化,其次是半固态氧化物。硫化物解决方案最近获得了更多的关注,但它们可能需要最长的时间。

如何实现

虽然SSB的投资较高,但运营成本与传统锂离子电池相类似,且最终具有价格优势,尽管如此,它们要被公众接受,还需要提出更明晰的价值定位。尽管有很多研究仅限于讨论SSB是否能带来更好的安全性,但更多的证据表明,SSB确实提供了更高的滥用容忍度。

图2:全球主要固态电池玩家分布。

SSB高能量密度是其另一个优势。然而,这种改进应该与新的阴极和阳极材料相结合。例如,大多数SSE,特别是无机固态电解质,具有比聚烯烃隔膜更高的密度,通常也比传统锂离子电池中使用的隔板要厚。如果电极保持不变(例如,静止石墨阳极和层状金属氧化物阴极)的话,与锂离子电池相比,大多数SSB的质量能量密度结果更低。

关于是否可以提高功率、充电速率和循环寿命,仍存在争论和不确定性。然而,所有的讨论仍停留在单元级。而实际上单元级的研究只是未来工作的一部分。目前已经看到,开发重点经历了从材料开发和单元演示向单元验证和系统设计的转变,包括从单元到封装(CTP)、热管理和机械设计。

其实,CTP并不是一个新概念,在锂离子电池设计中即可找到,例如比亚迪的刀片电池和CATL的CTP设计。由于SSB电池具有更好的安全性和双极性堆叠的可能性,CTP概念将变得更加重要。电池安全意味着电池组设计更灵活,电池模块/模组中使用的电子设备和组件更少。例如,双极设计能够实现更紧密的封装和更高的能量密度,从而在系统级别上能潜在实现更高的能量密度和可比成本。

对于固态电池而言,最初几代可能没有配置高电压、高容量的阴极和锂金属阳极,从而使其能量密度还会比商用锂离子电池更低。固态电池的初始成本也会高于锂离子电池。然而,由于固态电池组级的能量密度更高,设计灵活,使用的材料/部件更少,其能量密度可能与锂离子电池相当,甚至更好。

图3:几种固态电池技术的比较。

对于SSB,热管理系统不可或缺,但其工作方式可以针对不同安全操作区域来实施,因此,SSB所需的理想温度可能与锂离子电池不同。

目前,聚合物基固态电池已经商业化并用于车辆,例如戴姆勒eCitaro。其他技术正在为原始设备制造商持续测试其样品。随着丰田宣布技术突破,预计将致力于进一步的材料开发和设备优化。与此同时,还将更多地聚焦于系统设计。

结论

市场可能不关心是否使用少量液体或凝胶聚合物作为SSB的一部分。只要电池能够提供所需的功能,最终用户就会接受。因为混合半固态电池也可以提供高性能,所以可以作为良好的过渡产品。在短期内,可能会看到更多混合SSB的例子。随着技术发展的成熟,ASSB可能成为最终目标。

作为最大的潜在市场,汽车几乎是所有SSB供应商的目标。与此同时,需要更大的滥用容忍度,且对价格不太敏感的利基应用可能是SSB的低挂果实。

(参考原文:unveiling-trends-and-insights-in-solid-state-battery-technology

本文为《电子工程专辑》2024年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

责编:Jimmy.zhang
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