燃料電池 中國(guó)電池網(wǎng)資料圖
一條“充電1分鐘，續(xù)航800公里”的新聞，把我們的視線拉到了固態(tài)電池之上。似乎固態(tài)電池一下子成了促使電動(dòng)汽車取得飛躍的法寶。雖然細(xì)究一下，不難發(fā)現(xiàn)這條由菲斯克公司所披露的消息仍然有很多值得商榷之處，但至少說明固態(tài)電池正在成為電池發(fā)展新的方向。
另一方面，已經(jīng)說了很多年的燃料電池汽車近年來也隨著日韓車企相繼投產(chǎn)而成為關(guān)注的焦點(diǎn)。固態(tài)電池和燃料電池，究竟誰才是未來新能源汽車的方向？各自又會(huì)遇到怎樣的困難呢？
“靈活的、優(yōu)越的能量密度固態(tài)電池”，美國(guó)電動(dòng)汽車制造商菲斯克的這項(xiàng)專利，號(hào)稱將電動(dòng)汽車的續(xù)航能力提高到804公里，充電時(shí)間則縮短到1分鐘。而這項(xiàng)專利所描述的事實(shí)上就是固態(tài)電池。
我們不妨用初中物理知識(shí)來簡(jiǎn)單計(jì)算一下。按照目前電動(dòng)汽車較為優(yōu)秀的10kWh/100km能耗水平計(jì)算，804公里需要耗能80.4kWh，那么1分鐘充滿那么多電，充電功率將達(dá)到將近5000kW。
5000kW是什么概念？幾乎是一個(gè)中型發(fā)電站的功率。因此，菲斯克的這個(gè)專利僅僅是針對(duì)單節(jié)固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實(shí)情況下，考慮到電池組的集成和電網(wǎng)的承受能力，所謂的“充電1分鐘，續(xù)航800公里”只能是一個(gè)宣傳的噱頭。
不過，固態(tài)電池確實(shí)是目前車用動(dòng)力電池取得能量密度突破的重要方向。而另一個(gè)發(fā)展方向燃料電池汽車，近年來也在如火如荼地前進(jìn)。君不見，當(dāng)特斯拉和豐田在相互嘲諷對(duì)方的技術(shù)路線時(shí)，就意味著這里一定大有文章可講。
固態(tài)電池：能讓純電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的突破口
每一次電池性能的顯著提升，本質(zhì)上都是電池材料體系的重大變革。因?yàn)槊恳活愲姵夭牧象w系都有其能量密度的上限。
從第一代的鎳氫電池和錳酸鋰電池，第二代的磷酸鐵鋰電池，到目前廣為采用并預(yù)計(jì)持續(xù)到2020年左右的第三代三元電池，能量密度和成本分別呈現(xiàn)出階梯式上升和下降的明顯趨勢(shì)。因此，下一代動(dòng)力電池選用何種電池體系，對(duì)于實(shí)現(xiàn)2025年左右的電池目標(biāo)至關(guān)重要。
目前的磷酸鐵鋰電池，單體能量密度大致在120-140Wh/kg，規(guī)模化的三元電池單體能量密度可以達(dá)到130-220Wh/kg，實(shí)驗(yàn)室里的三元電池則可以達(dá)到300Wh/kg。
但受制于現(xiàn)有體系架構(gòu)和關(guān)鍵正極材料影響，現(xiàn)有體系的鋰離子電池能量密度基本上很難突破300Wh/kg，很難滿足未來動(dòng)力電池的需求。想要達(dá)到2025年單體電池能量密度400Wh/kg、2030年500Wh/kg的水平，新興電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫，那意味著電動(dòng)汽車的續(xù)航里程相比現(xiàn)在將翻一番。
目前商用的鋰離子電池，主要問題在于使用液態(tài)/膠狀電解質(zhì)，電化學(xué)窗口有限，難以兼容金屬鋰負(fù)極和新研發(fā)的高電勢(shì)正極材料，從而使能量密度上升存在瓶頸。而在安全層面，這樣的架構(gòu)還會(huì)造成短路引燃、離子濃度差增大電池內(nèi)阻、電極材料持續(xù)消耗等問題。
而固態(tài)電池進(jìn)入視野，正因?yàn)樗哂懈叩碾x子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度、寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口和工作溫度區(qū)間，能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度、高功率密度和高安全。
固態(tài)電解質(zhì)比有機(jī)電解液具有更寬的電化學(xué)窗口，有利于進(jìn)一步拓寬電池的電壓范圍，并且因?yàn)椴淮嬖跐獠顦O化而可以工作在大電流條件，從而提升電池能量密度。同時(shí)固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}、無需隔膜隔開正負(fù)極、阻止鋰枝晶的生長(zhǎng)，從根本上避免了電池的短路現(xiàn)象，能夠應(yīng)用更多的負(fù)極材料。
此外，在集成進(jìn)電動(dòng)汽車時(shí)，固態(tài)電池還具有結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)模可調(diào)、設(shè)計(jì)彈性大等利于整車集成的特點(diǎn)。
這樣看來，固態(tài)電池是不是就完美了呢？事實(shí)上遠(yuǎn)非如此。目前具有潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料可以分為聚合物、硫化物和氧化物，然而不同的材質(zhì)與不同的排列組合化學(xué)性能差異很大，有的充電速度快，有的能量密度高，各有所長(zhǎng)又各有所短，很難做到一種材料解決所有的問題。
同時(shí)化學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定、制備工藝不完善等問題的真實(shí)存在也讓固態(tài)電池還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。
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