固态电池如何开辟动力储存解决方案的新途径

来源:榆镁观察 | 作者:大镁 | 发布时间: 2024-04-25 | 112 次浏览 | 分享到:

How Solid State Battery can open new avenues of power storage solution

随着新电池技术的不断发展，特别是汽车电气化的快速发展，需要大型电池组，对更高效、更可靠、更环保的材料的需求不断增长。后锂离子固态电池是一种可能的下一代储能技术。本文介绍了钠、钾和镁固态电池的最新研发成果。

后锂离子固态电池可能成为下一代储能技术

在不断发展和快速变化的能源存储领域，固态电池（SSB）的出现正在引领一个充满可能性的新时代，使其成为重要的游戏规则改变者。随着对增强性能的需求以及寻求更安全的能源存储解决方案的尝试不断增长，SSB 已成为下一代技术竞赛中的领跑者。

随着新电池技术的不断发展，特别是汽车电气化的快速发展，需要大型电池组，对更高效、更可靠、更环保的材料的需求不断增长。这表明后锂离子固态电池可能成为下一代储能技术。

与商用锂离子电池相比，固态电池的一个直接优势是它作为一种经济高效的替代方案可以解决低压电池的资源问题。第二个优点是去除易燃液体电解质。固体电解质更能抵抗温度变化和物理损坏，产生的热量最多可减少 80%。它们在逐渐退化之前可以承受更多的充电/放电周期，并确保更长的电池寿命。

另一个直接的好处是液体电解质不需要隔膜和外壳。这可以减少每个电池的重量和体积，并增加电池的能量密度。

本文介绍了钠、钾、镁固态电池的最新发展成果。据透露，虽然研究界在固态碱金属和碱土电池方面取得了很大进展，但固体电解质的室温离子电导率还有待进一步改进。为了确保这些系统的实际应用，需要深入探索固体电解质的稳定性和界面反应。

20 世纪 90 年代，锂离子电池无缝融入了我们的生活，凭借其可靠的性能、成本效益和广泛的可用性，提供了便携性、使用寿命和能量密度。这些电池由石墨阳极、层状氧化物阴极和浸泡在有机液体电解质中的隔膜组成。

固态电池用固态电解质（SSE）取代了易燃易体电解质，本质上对所有人来说都更安全。SSE 还为使用不同的正极和负极材料打开了大门，扩大了电池设计的可能性。尽管一些 SSB 基于锂离子化学，但并非所有 SSB 都遵循这条道路。

SSB 相对于锂离子电池的优势

（1）安全性：SSB 因其大幅改善的安全性而被认为是电池技术的“圣杯”。不存在易燃液体电解质，最大限度地降低了热失控风险，使 SSB 成为更安全、更好的选择。

（2）更高的能量密度：SSB 具有更高能量密度的潜力，这是电动汽车（EV）和消费电子产品等应用的关键因素，这些应用需要更长的续航里程和更长的电池寿命才能有效使用。

（3）更长的循环寿命：SSB 往往具有更长的循环寿命，这意味着它们可以承受更多的充电和放电循环而不会出现明显的性能退化。

（4）宽温度范围：SSB 可以在更宽的温度范围内优先工作，使其适合极端条件。

（5）简单的设计：SSB 由于其固态特性可以简化电池设计，从而有可能降低储能系统的复杂性。

（6）灵活性：一些 SSB 提供机械灵活性，允许它们集成到各种外形尺寸中。

市场实现之路

为了定义 SSB 何时成为现实，澄清和举例说明 SSB 的构成至关重要。目前，基于聚合物的 SSB 已投入商业使用，而半/混合/伪 SSB 仍然具有增强安全性和更高能量密度等优点。在公共领域，它们通常被称为“固态电池”。SSB 涵盖了多种技术方法，包括氧化物、硫化物和聚合物系统，每种方法都有其特定的变化。例如，硫化物电解质具有高离子电导率，但面临制造和安全问题的挑战。聚合物系统易于制造，但在工作温度和稳定性方面存在限制。氧化物系统提供稳定性，但制造成本较高。商业化可能从基于聚合物的 SSB 开始，然后是半固体氧化物系统。硫化物系统虽然受到关注，但可能需要更长的时间才能进入市场。

挑战

SSB 的采用面临着多项挑战，包括高资本支出（CAPEX）、可比运营成本（OPEX）和溢价。必须主要提出明确的价值主张才能获得公众的接受。虽然关于 SSB 安全益处的讨论持续存在于一系列主题中，但有证据表明它们具有更高的滥用度忍受。提高能量密度是另一个优势，但它必须与阴极和阳极材料的进步保持一致，所有这些目前都正在进行中。

系统级工作，例如电池到电池组（CTP）设计、热管理系统和机械创新，正在变得越来越突出和重要。在改进的安全性和双极堆叠的推动下，CTP 设计可实现灵活的包装设计和更高的能量密度。

在电池层面，第一代 SSB 可能比锂离子电池具有更低的能量密度和更高的成本。然而，灵活设计和减少材料使用的好处可能会有效地提高单边带电池组的竞争力。SSB 的热管理系统至关重要，其工作温度要求与锂离子电池（LIB）不同。除了技术之外，还必须考虑设备利用率、工厂占地面积、供应链建立和制造产量提高。

SSB 可以被认为是 LIB 的进一步进化发展。主要是由于对更高能量和功率密度（比能量和功率）以及提高安全性和需求（尽管成本较低），电池的“固化”被探索为持续优化锂离子电池概念的少数选择之一。因此，任何固态概念不应被视为革命性的一步，而应被视为进一步改进原本成功的技术逻辑尝试。