什么是固態(tài)電池 ——迎接國際新一輪動(dòng)力電池技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)
固態(tài)電池是一種使用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的電池，其電解質(zhì)可以是聚合物、氧化物、硫化物等多種材料。固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)主要包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)和隔膜四部分。與液態(tài)電池相比，固態(tài)電池具有更高的安全性、更大的能量密度和更長(zhǎng)的壽命。來源：《中國固態(tài)電池行業(yè)研究報(bào)告》，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院固態(tài)電池的工作原理與液態(tài)電池類似，都是通過正負(fù)極之間的離子傳遞來實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)與釋放。在充電過程中，正極釋放電子，負(fù)極吸收電子，同時(shí)離子從正極向負(fù)極移動(dòng)，嵌入負(fù)極材料中；在放電過程中，電子從負(fù)極流向正極，離子從負(fù)極向正極移動(dòng)，釋放出儲(chǔ)存的能量。工作原理上，固態(tài)鋰電池和傳統(tǒng)的鋰電池并無區(qū)別。兩者最主要的區(qū)別在于固態(tài)電池電解質(zhì)為固態(tài)，相當(dāng)于鋰離子遷移的場(chǎng)所轉(zhuǎn)到了固態(tài)的電解質(zhì)中。而隨著正極材料的持續(xù)升級(jí)，固態(tài)電解質(zhì)能夠做出較好的適配，有利于提升電池系統(tǒng)的能量密度。另外，固態(tài)電解質(zhì)的絕緣性使得其良好地將電池正極與負(fù)極阻隔，避免正負(fù)極接觸產(chǎn)生短路的同時(shí)能充當(dāng)隔膜的功能。
固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)
安全性：固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)，可以有效防止電池內(nèi)部短路和漏液，降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性較好，不易燃燒，因此在高溫、撞擊等極端條件下，固態(tài)電池的安全性明顯優(yōu)于液態(tài)電池。能量密度：固態(tài)電池具有較高的能量密度，一方面是因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)可以承受更高的電化學(xué)窗口，使得電池可以使用更高電壓的正極材料；另一方面，固態(tài)電池可以采用更薄、更輕的隔膜和集流體，減輕電池重量，提高能量密度。壽命：固態(tài)電池的壽命較長(zhǎng)，一方面是因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)可以有效抑制電池內(nèi)部副反應(yīng)，降低自放電速率；另一方面，固態(tài)電池的充放電循環(huán)穩(wěn)定性較好，可以承受更多的充放電次數(shù)。來源：《全固態(tài)電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望》，許曉雄
固態(tài)電池的挑戰(zhàn)
目前，固態(tài)電解質(zhì)材料的研究尚不充分，需要進(jìn)一步優(yōu)化和篩選具有良好離子導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性的材料。此外，固態(tài)電解質(zhì)與電極材料的界面問題也需要解決，以提高電池的性能。固態(tài)電池的制造成本較高，主要原因是固態(tài)電解質(zhì)和電極材料的制備工藝復(fù)雜，且生產(chǎn)規(guī)模較小。此外，固態(tài)電池的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)也與傳統(tǒng)液態(tài)電池有所不同，需要投入大量資金進(jìn)行研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。固態(tài)電池的充放電速率相對(duì)較慢，主要受限于固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性。提高充放電速率需要進(jìn)一步優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)材料，以及開發(fā)新型電極材料和結(jié)構(gòu)。
固態(tài)電池的國際競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)態(tài)
美國在固態(tài)電池領(lǐng)域具有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力，擁有多家知名企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，如QuantumScape、Solid Power、Ionic Materials等。美國政府也高度重視固態(tài)電池技術(shù)，將其列為國家戰(zhàn)略項(xiàng)目，投入大量資金支持相關(guān)研究。歐洲在固態(tài)電池領(lǐng)域同樣具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，擁有多家知名企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，如德國的Varta、比利時(shí)的Solvay等。歐洲聯(lián)盟也推出了“歐洲電池聯(lián)盟”計(jì)劃，旨在推動(dòng)固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。日本在固態(tài)電池領(lǐng)域具有領(lǐng)先地位，擁有全球最大的固態(tài)電池制造商豐田和全球領(lǐng)先的電池材料供應(yīng)商村田制作所。日本政府和企業(yè)對(duì)固態(tài)電池技術(shù)的研究投入巨大，力求保持在該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。韓國在固態(tài)電池領(lǐng)域同樣具有較強(qiáng)實(shí)力，擁有全球領(lǐng)先的電池制造商LG化學(xué)和三星SDI。韓國政府和企業(yè)也在積極推動(dòng)固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展，以應(yīng)對(duì)全球動(dòng)力電池市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。固態(tài)電池的發(fā)展對(duì)于我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)具有十分重要意義。通過加強(qiáng)固態(tài)電池的研發(fā)和應(yīng)用，不僅可以提升我國新能源汽車的核心競(jìng)爭(zhēng)力，還可以推動(dòng)我國在全球動(dòng)力電池市場(chǎng)中的地位提升。因此，我國應(yīng)加大對(duì)固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)力度，加強(qiáng)與國際先進(jìn)企業(yè)的合作與交流，共同推動(dòng)固態(tài)電池技術(shù)的快速發(fā)展。
固態(tài)電池的主要研究課題
盡管固態(tài)電池有著巨大的潛力和商業(yè)價(jià)值，但目前仍存在很多技術(shù)難點(diǎn)需要研究和攻克。尤其是固態(tài)電解質(zhì)離子傳輸動(dòng)力學(xué)、固/固界面物理和化學(xué)接觸問題。這其中，對(duì)于固態(tài)電池的電解質(zhì)/電極材料的電導(dǎo)率、內(nèi)部產(chǎn)氣/壓力、膨脹行為的評(píng)估依然是對(duì)電池材料、電池性能、生產(chǎn)工藝等的重要研究手段。
固態(tài)電池中的固體電解質(zhì)和電極界面并不是完全穩(wěn)定，仍會(huì)存在一定程度的副反應(yīng)。因此，對(duì)于固態(tài)電池產(chǎn)氣、內(nèi)部壓力、膨脹行為等的研究依然受到高度關(guān)注。武漢電弛新能源有限公司自主研發(fā)的原位產(chǎn)氣量測(cè)試系統(tǒng)，原位氣體內(nèi)壓測(cè)試系統(tǒng)、原位電池膨脹力測(cè)試系統(tǒng)，可對(duì)多種電池種類和電池形態(tài)的電池進(jìn)行產(chǎn)氣量、內(nèi)壓、膨脹行為的測(cè)試，包括堿金屬離子電池(Li/Na/K)、多價(jià)離子電池(Zn/Ca/Mg/Al)、其他二次金屬離子電池(金屬-空氣、金屬-硫)、固態(tài)電池，以及單層極片、模型扣式電池、軟包電池、方殼電池、圓柱電池、電芯模組。系統(tǒng)高度集成了溫控、充放電、伺服控制、高精度傳感器等模塊，并提供企業(yè)級(jí)系統(tǒng)組網(wǎng)功能。同時(shí)，可為不同形態(tài)電池提供定制化夾具，開展不同測(cè)試模式的研究。為鋰電池材料研發(fā)、工藝優(yōu)化、充放電策略的分析研究提供了良好的技術(shù)支持。
