目前即使是少數(shù)商用的薄膜型固態(tài)電池,都是用在對價格極其不敏感的航空航天、以及心臟手術領域。
另外,硫化物固態(tài)電解質的生產環(huán)境限制與安全問題也同樣令人心碎。因為硫化物基固態(tài)電解質對空氣極為敏感,特別容易氧化,稍微遇到一點水氣還容易產生硫化氫這樣的有毒氣體,這意味著其生產環(huán)境的控制將十分苛刻,需要隔絕水分與氧氣,并且還會產生有毒氣體。
(未來,想象這樣一個畫面,一旦在車子行駛過程中發(fā)生狀況電池破損,硫化物電池在和空氣接觸之后放出氣味很臭且有劇毒的硫化氫氣體……)此外,理論上硫化物電解質的生產環(huán)境需要嚴格隔絕水分和氧氣,但在實際操作中幾乎又是不可能的。因為硫化物難免不和空氣中的水分反應生成硫化氫氣體,所以這種電解質必須采用冷壓技術在惰性氛圍下進行生產,這進而造成另一大問題,就是這樣制造出來的電解質微觀層面仍有空隙和晶界空格,無法做到完全致密,這樣充電循環(huán)過程中鋰枝晶就在會空隙中生成,最終導致電解質破碎,電池短路。
按下葫蘆浮起瓢,確實愁煞個人。
所以,固態(tài)電池的生產制造將是一個巨大的挑戰(zhàn)。其生產流程、工藝方式和傳統(tǒng)鋰電池也是完全不一樣的。雖然理論上固態(tài)電池和當下鋰電池在封裝技術上大同小異,但電解質膜片和正負極極片的制備上,可以說卻是全新的。例如制備固態(tài)電解質或正極材料,就需要采用射頻濺射、射頻磁控濺射等各種濺射技術,甚至用3D打印技術;制備金屬鋰負極就需要采用真空熱氣相沉積技術。
這些技術如何實現(xiàn)大規(guī)模應用,還是另一項重大挑戰(zhàn)。
所以,在翻越這幾座大山之前,固態(tài)電池真正的產業(yè)化只是看上去很美,更何況是大規(guī)模應用到電動汽車上了。
事實上,業(yè)界普遍認為的固態(tài)電池的諸多優(yōu)勢都只是理論上的,很多層面都沒有經過驗證。相對于液態(tài)電解質電池,目前在全球范圍內還沒有報道顯示固態(tài)電池的綜合電化學性能超過液態(tài)。且當前研究重點還是解決循環(huán)性、倍率特性,各類全固態(tài)電池的熱失控、熱擴散行為的測試數(shù)據(jù)還都非常少,說明這方面做得工作還遠未到位。
例如,雖然業(yè)界對固態(tài)電解質的研究已有近30年的歷史,但直到今天都沒有克服鋰離子傳導效率差這一世界難題。
在電化學領域,一種新的材料、新的技術從實驗室走向社會應用層面,一般需要十年甚至更長的時間。從目前看來,固態(tài)電池仍舊處于實驗室研究階段,諸多業(yè)界精英都在為解決電解質和正負極材料的集成、鋰離子電導率低、界面阻抗大等基本問題努力奮戰(zhàn),但我們也必須認識到,問題得到解決終究不是一日之功。
即便是越過了實驗室階段,還要再經歷一輪又一輪的小試、中試,攻克掉諸多生產技術和工藝等方面的難關,才可以最終實現(xiàn)產業(yè)化,而這又尚需很長的時日。
鋰電池的產品和技術進步,需要全產業(yè)鏈的相互協(xié)調和配合才能完成,所以在當下與其配套的材料、設備、工藝還不成熟,甚至連技術路線都沒確定,生產設備都沒有的情況下,談論固態(tài)電池的產業(yè)化還為時尚早。
可以預見,未來固態(tài)電池一定會遵循液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到全固態(tài)的發(fā)展路徑。伴隨每一個階段的躍升過程的是,上下游相關產業(yè)鏈的共同成熟和壯大。
題外話,固態(tài)電池的普及過程,也許就是當前鋰電產業(yè)鏈條的重塑和顛覆過程。
固態(tài)電池的前景可期,從國家和整個行業(yè)層面應該進行一定的布局,包括通過立項一些國家級的研發(fā)項目等手段來未雨綢繆。
不過對于整個新能源汽車及上下游產業(yè)來說,在現(xiàn)有體系還有不小的降本空間,以及能量密度的提升空間的前提下,更應該將主要精力花在高鎳正極、硅碳負極以及高電壓電解液等一系列必須要面對的技術難題上來,更何況高鎳811的量產道路上尚且還有不少基礎問題需要去解決。
對于固態(tài)電池,還要摒棄那種通過顛覆式技術創(chuàng)新來快速獲取成功的念頭,因為這種心態(tài)對于制造業(yè),尤其是鋰電池這種前期投入巨大的高端制造業(yè)來說,無異于毒藥。
參考文獻:
《全固態(tài)鋰離子電池關鍵材料研究進展》……李楊,丁飛,桑林,鐘海,劉興江
《固態(tài)鋰電池研發(fā)愿景和策略》……李泓,許曉雄
《全固態(tài)鋰電池的技術難點和挑戰(zhàn)》……李泓
《固態(tài)鋰電池深度報告:十年磨一劍,何懼試鋒芒》……中銀電新
《固態(tài)電池——后鋰電時代必經之路》……華創(chuàng)證券

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