2021-02-03 20:06
📅Published: 2021-02-03 20:06 这段时间“固态电池”又成了一个热门话题，似乎锂电池能量密度低的问题马上就要解决了，纯电动汽车里程焦虑也将成为过去。那么固态电池究竟是个什么东西，会带来锂电池的革命么？ 在说固态电池之前先来回顾一下普通电池的结构，它有点像我们日常吃的花卷，先把面擀平了，然后在上面撒上葱花，最后把它卷起来。锂离子电池呢，最下面是一层铜箔，之上是一层石墨，再往上是绝缘层，最上面的是锂离子材料。 其中，铜箔和石墨是负极，锂离子材料是正极。然后把这些东西像做花卷一样卷起来就是电池了，当然其中还有很多细节，比如添加电解质、导电剂、粘合剂等等，这里就不细说了。 充电池时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。可以把锂离子理解成勤劳的工人，负极是他们的住所，正极是工作的工厂。充电时工人们从工厂回到家里休息；放电时则从家里前往工厂工作。 在锂电池中，参与放电只是锂离子而已，它的质量大概是整个电池的2%，其他的部件都是维持电池结构和功能的，所以锂电池的能量密度低的可怜。其中电解液和隔膜占了总质量的20%左右，而固体电池就是将电解液换成了固体粉末，那么就省去了“隔膜”这个部件，另外固态粉末要比电解液体积要小。所以总体来看，电池能量不变重量减轻，能量密度是有所提升的。 优点不只是表面看上去的能量密度提升，前面有提到，锂电池的充放电类似于工人在工厂和家之间往返。但有个问题，为了维持正极的结构，在充电时锂离子不能全部移动到负极去，也就是有即使下班了，还要留一部分工人在工厂值班，不然就会出问题。所以现在锂电池的研究方向都集中在正极材料上，如何让更多的工人回家休息，或者增加工厂的面积，可以容纳更多的工人。 比如NCM811电池，这是之前特斯拉用的锂电池型号，“NCM”代表镍、钴、锰三种元素，811是它们之间的比值；再比如宁德时代的NCM532、NCM622这些电池，都是在正极上面做修改，就是为了提升电池的能量密度。 固态电池由于节省了一部分材料以及改变了电解液，所以会省下来一部分空间，如此给正极的设计空间就更大，可以扩建那个工厂了。另外固态电池甚至可以省略正极，在电压的加持下，负极渗透过来形成正极，这样给予正极的设计空间就更大了。 所以固态电池不仅看起来会提升能量密度，同时它的结构优势给予了电池设计更大的空间，当固体电池技术愈发成熟后，能量密度会随着设计的优化，有更大幅度的跃升。 除了提升能量密度外，固体电池安全性能也有所提升。目前锂电池中的电解液会与正极材料发生缓慢的化学反应，这个过程中释放很少一部分气体，所以锂电池都会设计一个泄气阀。但如果发生意外，像穿刺、变形等情形，气体就会大量产生随后撑破外壳发生爆炸。 固态电池就没这方面的问题，因为固体的电解质不会产生气体，自然爆炸的风险就降低了很多。另外在遇到穿刺、挤压等外力破坏时，固态电池也更加不容易发生短路。 能量密度更高、安全性更强，看起来固态电池无比美好，但离车载电池还是有一定距离。这里有一个问题就是“接触电阻”，接触电阻越大，电池快速充放电时产生的热量也越大，会影响电池的性能。如何减小接触电阻，这就需要电池的突出的极耳和里面的正负极接触面积越大越好。 原先这个极耳是浸润在电解液中的，现在换成了固态电解质，那么接触面积就会小很多，所以面对大功率充放电时，热量会很大。目前我看关于固态电池的一些论文中，很多新技术都是为了减小接触电阻，增加电子流动速度。不过很多都是实验室中的技术，未来何时能够普及就不知道了。
