固态锂电池:电动汽车的新战场在哪?
很多新型材料,学界和产业界对它们未来的预测,到底什么时候可以量产,可以真正投入使用。对于固态锂电池来说,从2020年这个节点开始,它已经进入真金白银投资、真刀真枪打拼的阶段。
2020年7月29日上午,清陶动力固态锂电池一期项目,在江西宜春举行了投产仪式。这个项目的负责方清陶发展公司,是一家专注新能源材料技术发展转化的高科技企业。而这次的投产仪式,标志着车规级,也就是一般用在汽车上的固态锂电池,正式进入生产阶段。
这是新能源汽车发展进程中里程碑,动力锂电池的战火即将从传统的锂电池,蔓延到新的固态锂电池战场。
清陶发展的Chief科学家,是中国科学院院士、清华大学材料学院院长南策文教授。作为我们这一讲解读依据的两篇文献,就是南策文教授的研究。这两篇文献,一篇被《Small》杂志收录在2020年4月出版的“清华大学纳米/微米材料研究”特刊里,还有一篇则收录在2020年6月出版的《今日纳米材料》期刊中。这两本期刊都是材料领域排名靠前的期刊。
好,先来说固态锂电池是个怎样的材料。
我们得把它拆分成两部分,“固态”和“锂电池”。你肯定觉得你已经很熟悉锂电池了,智能手机里的电池就是锂电池。
但要准确地说,智能手机里的电池应该叫“锂离子电池”。真正的锂电池,是指用金属锂作为负极的电池。你可能对电池正负极的材料不熟悉,那我说一下它们两个在使用时最大的区别,锂离子电池都是可以充电、反复使用的;而真正的锂电池不能充电,是一次性的电池。
它们两个对比来看,锂离子电池是目前所有充电电池里最好用的,它电量大,充电又快;而真正的锂电池呢,使用寿命短,很快就会没电,又不能充电。所以真正的锂电池根本没什么优势,就没被推广开。时间长了,很多人忘记了还有这么一种电池,就把锂离子电池简称为“锂电池”了。
我们得仔细地区分开它们两个,你了解了锂离子电池和锂电池的本质区别,才能明白固态锂电池到底是什么。
那锂离子电池和真正的锂电池,本质区别是什么呢?最关键的一点,是电流的形式不一样。
电池放电,需要形成电流。锂离子电池形成电流,靠的是锂离子的移动。而锂电池内部的电流,是靠电子流动实现的。
差别在哪儿呢?小时候比较顽皮,拆过干电池。真正的锂电池就是干电池的一种。如果你也拆过,可能会注意到,很多干电池内部都有一个碳棒,那就是供电子通过的导体。
但电子能通过碳棒,是因为它的体积很小,移动起来比较容易。锂离子比电子要大得多,它的直径差不多是电子的百万倍,如果说电子是尘埃大小,那么锂离子就好比是一头大象。它太大了,不能通过碳棒传导。
所以,锂离子电池面临的一个实际问题,就是在电池内部,锂离子怎么流动呢?我们必须换个思路进行设计。
在日常生活中,我们都有这样的认识,因为道路的宽度是有限的,承重也是有限的,所以有些超宽、超重的货物,要想整体运输,不能走陆路,得通过水运的方式。
电池内部输送锂离子,也是采用了同样的原理,放弃碳棒这样的“陆路”,而是改走电解液这种“水路”。碳棒就像一条固定轨道的铁路,只能供电子通过。而电解液是液体,就像运河一样,它可以比较自由地流动,锂离子就可以很容易地通过了。
好,那我们现在可以说“固态锂电池”是什么了。
我们不再挖运河,而是设计一种特殊构造的铁路,让锂离子走陆路,这就是固态锂电池的基本原理。原本的电解质是液体,固态锂电池就是把这个液体换成了固态的电解质,让锂离子在固态的电解质里流动。
不知道你发现没有,我们刚刚说,真正的锂电池内部是电子在流动,而锂离子电池内部是锂离子在流动,所以我们这一讲说的固态锂电池,其实准确的全称应该是“固态锂离子电池”。
听了前面的讲述,你可能觉得,固态锂电池的构思这么简单,就是把液体的电解质换成了固体,为什么就说固态锂电池是电动汽车的新战场了呢?
我们得先了解一下传统锂离子电池的问题。
我们刚刚说,传统的锂离子电池,需要填充比较多的电解液。这就出现了两个很难克服的问题。
首先就是安全问题。电解液里有一种必不可少的成分,是碳酸二酯类的物质,它们非常容易燃烧。如果电池在工作的时候出现一点闪失,比如出现短路的情况,温度上升或者产生电火花,电解液就会剧烈燃烧。
所以,在锂离子电池普及的这些年里,如影随形的问题就是燃烧和爆炸。手机充电,可能会爆炸;汽车行驶,可能会自燃……说到底,都是这种设计的固有缺陷。
另外一个问题虽然不致命,但是可能更重要。那就是用了电解液之后,电池的能量密度上不去。什么意思呢?
还是借用前面的比方,两个城市之间搞运输,为了运输锂离子这种特殊的货物,只好在两座城市之间挖一条运河。但是,运河的运输速度比铁路、公路更慢。
电解液的道理也是一样,它对锂离子的电阻,要比碳棒对电子的电阻大多了,所以电池有很大一部分电量都消耗在对抗电阻上了。
电解液的锂离子电池,目前在能量密度等指标上,已经做到接近理论上限的水平,必须要进行革新。而我们刚刚说的这两个问题,都是液态的电解液带来的,也就都被固态锂电池解决了。固态锂电池的安全性更好,运输锂离子的效率更高,使用寿命更长。
但这两个突破我们早就已经实现了。我说2020年是固态锂电池的关键一年,是因为固态锂电池从之前的不能量产,到真正实现了量产。
一般来说,材料的量产是要在研究完全成熟的条件下进行的,但是固态锂电池的量产却是研究的一部分。研究者在量产的过程里,不断发现问题、解决问题,推进固态锂电池的技术突破,这才是这个材料“前沿”的地方。
既然这样,那我们不能不说说,固态锂电池未来还有哪些地方,会出现技术突破。我在南策文院士2020年发表的文献中,找到了一些答案。
首先一点,现在的固态锂电池,还没有实现全面的固态化。
固态锂电池所用的电解质,通常是聚合物电解质,它虽然可以让锂离子在里面传输,但是阻力反而比液态的电解质还要大。那我们还用固态的电解质就没有意义了。显然,我们现在还没能找到最理想的固态电解质。
而且,液态电解质有可以润湿电极的优势,固态电解质也没有了。为什么要润湿电极呢?要想让两块固体紧紧地贴在一起,没有缝隙,这很难做到。但是让液体覆盖固体,就没有那么难。
而锂离子只有在电极和电解质之间顺利地转移,才能够形成电流通路。液态的电解液不难实现这一点。但是在固态电解质和固态的电极之间,锂离子转移起来,就没有那么容易了。
所以,在实际设计电池的时候,保留少量电解液还是一种常用的设计。但这样一来,固态锂电池并不比传统锂电池有显著的优势。从这个角度来说,固态锂电池的配方,还需要进行大幅度优化。
另外一点,固态锂电池的性能,也还没有想象中那么理想。
比如说,锂离子电池有一个常见的缺陷,就是在充电时,锂离子会还原成金属锂,从而形成“锂枝晶”,就是树枝状的锂晶体。锂枝晶就像针一样能够穿刺,会导致电池短路,这是影响锂离子电池稳定性和安全性的大问题。
理论上,固态电解质可以成为解决这个问题的有效手段。但是在实际应用时,锂离子还是会在一定条件下渗透固态电解质,生长成晶体,和研究人员的期望并不是很吻合。
而且到现在为止,研究人员还不知道出现这种情况的机制是什么,也没有什么太好的办法,还需要从实践中去摸索解决办法。
固态锂电池的发展虽然还有很多不成熟之处,新生的婴儿肯定打不过成年人,但谁又能知道这个婴儿成年之后是什么样呢?
其实在2020年这个时间点,除了我们开头提到的清陶发展公司的投产以外,最早实现固态锂电池量产的公司,辉能科技,也已经确定要在中国建设生产线,投资生产车规级固态锂电池。
丰田曾经用固态锂电池实现了汽车1000公里巡航,加入战场已经是板上钉钉的事了。
传统锂电池的生产商,比如比亚迪,也已经开始布局固态锂电池。
甚至就连一些不生产电池的汽车厂商,比如大众汽车,也在今年投资了固态锂电池的开发公司Quantum Scape。
2019年的诺贝尔化学奖,颁发给了三位开发锂离子电池的科学家。锂离子电池作为一种诺贝尔奖级别的新材料,已经改变了这个世界;而我们,即将看到这种材料,以更为丰富的形式再次改变世界。
划重点
1.固态锂电池是把内部原本的电解液换成固态电解质的锂离子电池。2. 一般来说,材料的量产是要在研究完全成熟的条件下进行的,但是固态锂电池的量产却是研究的一部分。 3. 2020年,固态锂电池完成了一个里程碑,正式进入量产阶段。但这并不是技术成熟的终点,而是开启了一个新的研究阶段。
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