四大技术路径角逐固态电池 实现产业化仍任重道远

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  每经记者 黄辛旭    每经编辑 孙 磊    

  2024年被行业看作是固态电池产业发展的重要节点,不少企业都先后对外公布了固态电池落地的时间表,这也让行业对固态电池的热情不断提升。

四大技术路径角逐固态电池 实现产业化仍任重道远
(图片来源网络,侵删)

  固态电池的革新最重要体现在电解质层面。不过,电解质从液态到固态的改变不仅仅是形态的改变,更是化学材料的改变,以此来提升能量密度、改进安全性能。

  而电解质的不同也使得固态电池形成了多样的技术路径。目前,全固态电池主要分为聚合物体系、氧化物体系、硫化物体系和卤化物体系四种技术路径。

  “说实话没有一种是十全十美的。目前离子导电性最高的是硫化物体系,接近产业化的也是硫化物体系。但是也不大可能一种产品打天下,因为硫化物电解质也需要和聚合物进行复合。”近日,中国科学院院士欧阳明高在“中国汽车动力电池产业创新联盟2024年度大会”上表示,全固态电池的技术路径并没有实现全球统一,关于电解质的研究、验证等还有很多工作要做。

  四大技术路线各有优劣

  与液态电池相比,半固态电池、全固态电池最核心的改变在于电解质材料的改变,其主要分为四条技术路径。

  具体来看,聚合物体系主要使用的材料是PEO(聚环氧乙烷)等,其优势为柔韧性好、质量轻、成本低、易于加工;劣势为常温下离子电导率低,电化学窗口窄。据了解,聚合物体系技术路线研发时间最早。目前,欧美企业多***用该体系路线。

  氧化物体系主要使用的材料是石榴石(Garnet)、钠离子导体(NASICON)等,其优势为循环性能良好,电化学稳定性高;劣势为离子电导率较低,界面接触性差。目前,国内企业多***用该体系路线。

  硫化物体系主要使用的材料是LiGPS、LiSiPS(均为一种硫化物电解质)等,其优势为离子电导率较高,如LGPS、LSP-SC(均为一种硫化物电解质)室温下的离子电导率已与传统液态电解质媲美。劣势为与空气接触形成有毒的硫化氢,材料生产对工艺的要求极高,成本较高。目前,日韩企业多选用该体系路线。

  卤化物体系主要使用的材料包括氟、氯、溴和碘等,其优势在于高离子电导率、良好可变形性和宽电化学窗口,其劣势则是卤化物体系的还原电位不够低,无法与金属锂负极匹配,而且原材料成本过高等。

  目前来看,国内各个企业选择的技术路径不尽相同。比如,清陶能源***取了氧化物电解质路线,而国轩高科则选择了硫化物的体系路线。“固态电池的研究已经很久,也打下了很长的基础。但借助硫化物超快离子导电性能的发现,我们又迎来了电池技术快速的发展期。”深蓝汽车科技有限公司高级项目总监周安健认为,固态电池进入创新机遇期。

  “全固态电池的固态电解质主要有四种材料体系,每一个的优点都很突出,缺点也很明显。因此,材料复合是一个非常好的解决问题的思路,因为材料复合在科学上确实有协同效应在,所以要取长补短来解决整个问题。”南方科技大学教授许晓雄表示。

  快充需提升离子导电性

  眼下,固态电池的高能量密度和高安全性已经成为共识,但其电解质改变的同时也带来了另一个问题。一般来说,电池中电解质的功能是为锂离子在正负极之间传输搭建通道,而决定锂离子运输是否顺畅的指标被称为离子电导率。与液体电池不同,半固态及全电池的电解质与正负极之间以固-固界面接触,其接触更多是面积更小的点状,因而离子电导率通常比液态电解质低,进而也导致固态电池的快充能力受限。

  因此,如何提高“离子电导率”“如何去解决快充难题”都是半固态及全固态电池需要去突破的难题。

  值得一提的是,智己汽车推出的智己L6 Max光年版,其搭载的半固态电池可实现900V快充。

  “在电池有任何液体的状态下快充,可能就会面临非常多的问题。电解质从原来的固-液接触变成了固-固接触,接触界面处会有空电荷区的存在,这也是界面高阻抗的重要原因。如果我们把固态电解质做成一个膜,它的离子电导率并不是很理想。”广州巨湾技研有限公司首席科学家毛文峰说。

  据毛文峰透露,为了解决固态电池快充的问题,他们尝试引入了介电质。“这种材料可以帮助提升固态电解质的离子电导率。我们之前的研究成果证明,介电质的高介电性可能有效提升了锂的交换电流密度,提升正极和固态电解质之间锂的浓度,从而减少界面电阻的存在。”毛文峰说。

  目前,如何提升固态电池的离子导电性是行业的关键问题,其在技术上突破也影响着固态电池的规模量产。这一过程并不容易,中国工程院院士孙逢春在上述大会上表示:“从技术角度来看,固态电池要想实现产业化还是任重道远。”

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