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。   另外，关于固态电池一些新技术，虽然可以支持大功率充放电，但是对电池寿命有影响，充放电循环次数只有现在电池的一半。所以，固态电池真正投入商业还是有不小挑战。不过，固态电池一定是锂电池的一个发展方向，现在大众、福特、丰田、宁德时代、LG、三星等众多企业都在作相关的研究，相信在市场的驱使下技术很快会得到突破。 写在最后 至于说，今年年内上市的固态电池，我还是有疑问的，毕竟它们没有披露技术细节，不知道只是炒“固态电池”这一概念，还是有真的突破性技术。我认为比较靠谱的突破可能是3、5年后，目前锂电池行业主流的观点也是在2025年将能量密度提升到400Wh/kg，相较现在提升了33%。究竟发展速度有多快，我们还是拭目以待吧。 出处：头条号 @新车新技术 read more

1月13日，智己汽车举办了其首场发布会，除了自动驾驶亮点外，最大的亮点是1000km的续航里程，做到这一点，品牌方宣传的便是电池的掺硅补锂技术。 其实，这两个月“掺硅补锂”这个技术在频繁在车企、电池企业甚至央视新闻报道中出现，只是提法不同：去年12月8日，央视《经济半小时》中提到天目先导的纳米硅负极技术；2021年1月8日，国轩高科发布了一款210Wh/kg的磷酸铁锂电池，采用的也是掺硅补锂技术；1月9日，蔚来发布的ET7声称采用了预锂化、硅碳负极技术；以及智己汽车的掺硅补锂。   首先要明确的是，掺硅和补锂是两个技术，负极掺硅是为了提升能量密度，补锂则是为了提升循环寿命。他们都有助于提升动力电池性能，在较高能量密度的产品上，已经广泛应用。   1 硅负极：应用难度大   要提升电池能量密度，正极材料和负极材料的比容量都需要提升。   正极端一般采用高镍材料，大家熟悉的811就是一种；负极则是采用硅基负极。   之所以选择硅，是因为硅基负极材料的理论克容量是4200mAh/g，是石墨负极10倍有余。以现在技术水平，要将电池做到300Wh/kg，硅基负极是必不可少的。   （1）膨胀率高   硅基负极材料一般分为两大类，一种是硅碳负极，即纳米硅和石墨掺混使用，理论克容量超过3000mAh/g，但实际刚超2000mAh/g；另一种是硅氧负极，氧化亚硅掺混石墨作为负极，大致克容量为1400-1800mAh/g。   目前来看，两种负极应用侧重点有所不同。国轩高科工程研究总院负极材料技术负责人林少雄对《电动汽车观察家》介绍说，国内上硅碳负极一般用到3C产品比较多；动力电池方面，一般采用硅氧负极比较多。   所以无论是3C产品还是动力电池，要获得更高的能量密度，硅负极都是必不可少的。但是硅也存在很大的缺点，其中之一就是膨胀率高。硅负极充放电膨胀可达300%左右，而普通石墨仅为10%左右。   硅和石墨在充电嵌锂的时候膨胀状态不一致，电芯膨胀收缩的次数多了，结构就会坍塌，锂就没法进出了。也就是说采用硅后，虽然克容量提升了，但是循环寿命却缩短了。   为了通俗理解，可以将石墨和硅想象成两个颗粒，颗粒刚开始可能粘在一起，但是两者膨胀收缩比例差别较大，多次收缩膨胀后就会发生断裂，电池循环寿命就会降低。   因此，实际应用中的硅负极材料，硅含量都非常低。天目先导总经理罗飞表示，在动力电池领域，一般的情况下会将5%-10%的氧化亚硅和石墨进行复合使用。   可见，硅负极的应用难度非常高。   应用难度如此之高的硅基负极到底能为电池能量密度能带来多大提升呢？   罗飞告诉《电动汽车观察家》，采用纳米硅以后，电池能量密度可以提升5%-10%。“不要小看这5%，按照传统锂电池的发展规律来讲，每年锂离子电池能量密度的提升平均在2%左右，但是现在2%已经很难实现了，已经到瓶颈了。”   由此可见，这5%能量密度提升有多宝贵。   （2）产量低、成本高   硅基负极不仅应用难度大，目前能够量产的企业也不多。   根据高工锂电的调研，目前国内只有贝特瑞能够大批量供货，且已经进入了松下的供应链，间接供应特斯拉，目前硅基负极产能3000吨。   国际上，上世纪90 年代才开始研发硅材料以应用于锂电池负极，直至 2013、2014 年才分别实现硅碳负极、硅氧负极的产业化。整体来看，硅基负极的真正产业化历程相对较短。 硅基负极应用中，国际厂商相对领先，松下2017年已批量应用于动力电池，供应特斯拉。三星、LG 化学硅基负极，目前主要应用于消费电池领域。日本 GS 汤浅推出硅基负极材料的锂电池，应用在三菱汽车上。   整体来看，硅基负极制备工艺复杂，无标准化工艺，技术壁垒高，难度主要在于硅材料纳米化及与硅碳复合材料的制备工艺，属于各企业的核心技术。     产量少，也就意味着单价高。 […] read more