固态电池，小心被“玩”坏

固态电池，小心被“玩”坏 来源/镜观台拍摄海外市场方面，丰田计划2027年实现全固态电池装车；韩国SKOn正在开发高分子氧化物复合和硫化物两种固态电池，目标是到2026年生产出原型产品，2028年实现商业化；三星SDI正在开发一种没有负极的固态电池，预计将于2027年量产。固态电池的消息满天飞，动力电池的霸主宁德时代也不得不出来发声。宁德时代首席科学家吴凯表示，全固态电池的成熟度指标，若用1-9数字表示，宁德时代目前的成熟度在4的水平，目标到2027年到7-8的水平。简言之，宁德时代的固态电池离量产还尚早。在全固态电池研发方面已有十多年的积累，且有近千人研发团队的宁德时代尚且如此，近一两年量产，甚至宣称已经搭载上车的固态电池，其成色问题就值得商榷了。固态电池虽好，经不起“恶搞”新能源汽车行业发展离不开动力电池，目前的动力电池无论是三元锂电池还是磷酸铁锂，虽然在整车安全、续航里程等方面还在进步，但一定程度上在技术上已经很难有大的突破了。随着锂离子电池成本优化接近极限，新能源汽车产业正迫切寻求技术革新以突破现有瓶颈。固态电池作为下一代电池技术的明星产品，凭借其在安全、能量密度及循环寿命方面的显著优势，被视为推动电动汽车发展的新引擎。所谓固态电池，顾名思义，是和液态电池相对应的，是一种使用固态电极和固态电解质的电池。目前市面上主要的锂离子电池内置是含有液态电解质的。传统液态电池由正极、负极、电解液、隔膜四大部分组成。固态电池用固态电解质替换传统液态电解液和隔膜。固态电池的核心特征就在于使用固态电解质，这也是实现固态电池高能量密度、高循环稳定性、高安全性的关键。其工作机理与传统锂电池一致，依靠锂离子在正极和负极之间往返移动，进行化学能和电能之间的转换与储存。根据液态电解质的含量逐步下降，固态电池发展路径可分为：半固态电池、准固态电池和全固态电池。这也就给了一些车企在宣传上提供了“便利”，第一家、第一款、第一代的修饰语层出不穷。腾势汽车总经理兼首席共创官赵长江也忍不住在微博吐槽“就是在玩文字游戏”。中科院院士、清华大学教授欧阳明高也认为，中国在全固态电池领域的研发，目前来看认识还不统一。显然，过度炒作对固态电池的发展极为不利。事实上，作为全固态电池的过渡方案，半固态电池在性能上已大幅提升，安全性较好、能量密度较高、循环寿命更长、工作温度范围更宽、耐挤压、耐震动等。但从制造工艺来说，半固态电池基本可沿用现有液态电池的制造工艺，生产难度远远小于全固态。液态变固态，换“汤”也换“药”但液态电池要直接升级为固态电池，就需要“改头换面”了。如果把动力电池比作汤药，那电解质可以说是“汤”，正负电极和隔膜可说成是“药”。从液态电池到固态电池，不光是把“汤”换了，液态电解质变成固态，“药”也逐步换了。基于目前固态电池的发展历程，还可以将固态电池的发展分为三个阶段：第一阶段：将传统的电解液换成固态电解质，正负极和传统用的是一样，均采用负极石墨和正极三元锂或磷酸铁锂；第二阶段：更换负极材料，取消掉负极的石墨或硅，使用金属锂来提升能量密度；正极不变，采用磷酸铁锂或者三元材料。第三阶段：正负极都换，负极用金属锂，正极就可以换成不含锂的高能量的材料。如此来看，第一阶段换的就是“汤”，第二三阶段就是把“药”也换掉了。换“汤”比较好理解，固体电解质相对于电解液，电化学范围更广（电压更广），电解质不参与化学反应，让锂离子通过。因此，可以选择容量更大的正极材料，或者选择电压差更大的正负极材料，从而提高能量密度。那为什么要把作为“药”的正负极也更新换代呢？按照目前提高电池能量密度的手段，在正极端不断地提高镍的含量虽然可以提升电池能量密度，但是高镍电池对电池的稳定性要求具备更高的电池管理基础。因此，三元锂短期内要突破一个量级还是有一定的挑战。未来，可能也只有固态电池会将电池能量密度提升一个量级。太蓝新能源就在近日宣布成功制备出世界首块车规级单体容量120Ah，实测能量密度达到720Wh/kg的超高能量密度体型化全固态锂金属电池。作为对比，目前磷酸铁锂电池的能量密度为160-180wh/kg左右，三元锂在150-250Wh/kg之间。另外，固态电池凭借自身较高的机械强度在运用的过程中可以抑制电池循环使用之中的锂枝晶的刺穿，使锂金属负极的应用不再是梦想。把电极换为金属锂，其比容高，电压大，避免了液态电池用金属锂作负极会因多次充放电粉化、枝晶生长，导致循环性差，甚至枝晶刺穿薄膜，引起短路的风险。固态想上位，至少还需20年？这些显然就是固态电池大受欢迎的原因所在。高安全性一定是固态电池的首要优势。根据有关数据，新能源汽车起火事故原因中，电池自燃占比31％。相较之下，固态电解质不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发、不漏液，同时具有一定机械强度，安全性更好；半固态电解质中液体占比也小于10%，可燃性大大降低。五一假期发生的多起新能源车燃烧事件，更让消费者期待固态电池的到来。同时，固态电池拥有更高能量密度和较小体积。固态电池电化学窗口宽，能承受更高电压（5V以上），材料选择范围广。因此，可通过采用高比容量的正极、负极材料，使能量密度达到500Wh/kg甚至更高，远超液态350Wh/kg理论极限。而固态电解质取代隔膜和电解液，正负极之间的距离可以缩短到只有几到十几个微米，从而大幅降低电池厚度。因此，同样电量情况下，固态电池体积更小。另外，固态电池还具备宽温区运行的优势。电动车在冬季续航里程之所以下滑明显，主要在于液态电解质在冬季低温环境下流动性下降。而固态电解质可以在-30℃至100℃的更广泛温度范围内稳定工作。当然，固态电池也并非完美无缺，目前来看还是有很多缺点存在的。比如：与液态电解质相比，固态电解质与电极材料之间的接触面积较小，导致离子传输速度较慢，影响了电池的充电和放电效率；界面电阻太大，使得快充过程中的能量损耗增加，快充效率受限；固态电池的充放电循环次数有限，循环寿命较短；生产技术尚不成熟，工艺复杂，生产效率低，导致其成本远高于液态电池。这些显然都是固态电池全面商业化必须面对的挑战。欧阳明高就表示，全固态电池是公认的下一代电池的首选方案之一，也是下一代电池技术竞争的关键制高点，但是也要注意防范激进技术路线带来的颠覆性风险。“液态电池的应用周期至少还有20年。固态电池要想替代液态锂离子电池50%的市场份额，至少需要20至30年。”欧阳明高如是说。 ... PC版： 手机版：

【全固态电池商业化进程加快！Solid Power已向宝马交付首批样品】

【全固态电池商业化进程加快！Solid Power已向宝马交付首批样品】 被称为“永远要等十年”实现商业化应用的全固态电池技术，骤然得到突破。近日， #美国 全固态电池企业Solid Power表示，公司已生产出首批固态电池A样品，并将其交付给宝马汽车。宝马希望在2025年之前推出第一辆基于Solid Power电池技术的原型车。（澎湃）

【广汽发布全固态电池技术，整车续航可超1000km】

【广汽发布全固态电池技术，整车续航可超1000km】 4月12日，广汽科技日上，广汽发布全固态电池技术，突破400Wh/kg，较现有最先进的液态锂离子电池，体积能量密度提升40%以上，质量能量密度提升30%以上，整车续航可超1000km，将于2026年装车搭载，并首次搭载于昊铂车型上。（Auto有范儿）

Factorial宣布向梅赛德斯交付首批106-Ah B样品固态电池

Factorial宣布向梅赛德斯交付首批106-Ah B样品固态电池 该公司的目标是生产一种实现高能量密度、长距离续航的电池，其成本与锂离子电池相当，并且可以在相同的生产线上生产。本月，该公司向梅赛德斯-奔驰公司发送了第一轮 B 样品，以进行进一步的测试和开发。Factorial 与 Stellantis 合作，在 CES 2023 上首次展示了其 100-Ah 固态电池，这是在其之前展示的较小电池基础上的进一步发展。去年 10 月，该公司开始向全球汽车合作伙伴交付首批 100-Ah A 样品，目前仅向梅赛德斯-奔驰公司就交付了 1000 多个 A 样品电池。现在，Factorial 宣布向梅赛德斯交付首批 106-Ah B 样品电池，这是全球首批向全球汽车原始设备制造商交付的 B 样品固态电池。这个"全球首例"中的"宣布"限定词可能意味着其他 B 样品电池已经装运但尚未宣布，但该公司正在取得稳步进展，并进入下一阶段的测试。2024 年 6 月，Factorial 为梅赛德斯-奔驰提供 B 样品电池和其他汽车部件在投产前都要经过从 A 样品到 D 样品的多阶段测试和开发过程。A 样品是全尺寸商用电池的粗略初始工作原型，B 样品是经过更严格测试的更成熟的原型。B 样品将被集成到模块和电池组中，进行广泛的测试和优化。这一关键阶段包括根据梅赛德斯-奔驰严格的性能规范验证模块和电池组的设计。此外，这一步骤还将确认Factorial供应链及其制造工艺的稳健性，确保未来车辆测试的可扩展性。Factorial 的电池采用"Factorial 电解质系统技术"，包括锂金属阳极、准固体电解质和高容量阴极。该公司表示，依靠轻质锂金属，目前的能量密度可达 391 瓦时/千克，远高于当前锂离子技术 300 瓦时/千克的上限，是典型磷酸铁锂（LFP）电池 160 瓦时/千克高端容量的两倍多。与锂离子电池中的液态电解质相比，准固态电解质提高了安全性。Factorial 公司的最终目标是，与传统锂离子电池组相比，90 千瓦时电池的重量和体积减少约 30%，每次充电后汽车行驶里程超过 600 英里（966 公里）。此外，FEST 电池还可使用与生产锂离子电池相同的设备进行生产，只需进行极小的改动。2023 年 10 月，Factorial 在马萨诸塞州波士顿郊区梅苏恩开设了一家电池制造厂。该公司预计，当该工厂达到 200 兆瓦的满负荷生产时，将成为美国最大的固态电池生产厂。今年 4 月，Factorial 与 LG 化学签署了一份谅解备忘录，以加速固态电池的开发。 ... PC版： 手机版：

ℹ锂离子电池爆炸事件：无线耳机充电盒、行动电源、携带型小电扇爆炸原因是甚么?#

ℹ锂离子电池爆炸事件：无线耳机充电盒、行动电源、携带型小电扇爆炸原因是甚么?# 那么有没有办法从根本上解决使用锂离子电池的替代方案呢?小编之前也有做过全树脂电池的介绍，安全性更高、成本更低、更长寿的全树脂电池未来如果能...

10分钟充满电 哈佛全华班团队带来固态电池新突破

10分钟充满电 哈佛全华班团队带来固态电池新突破 什么样的固态电池当前常见的锂离子电池，负极多为石墨材料，优点是工艺成熟，运用广泛，但缺点是理论比容量不高，为372mAh/g，商业化后大概会更低一点。这也是为什么如今的锂离子电池，特别是液态锂离子电池想要增加能量密度、续航里程，往往有个上限。因此，能量密度更高的固态电池一直被认为是锂离子电池的终极形态，是当下行业发展的方向。而固态电池一大热门负极材料就是锂，理论比容量高达3860mAh/g，并且拥有最低的电化学势（-3.04V），能更有效吸收和释放电子，也能对应更广泛的正极材料。另一种负极材料硅，虽然能量比容量更高（4200mAh/g），但在充放电中会产生剧烈体积变化，容易导致电池失效。但使用锂电子作为负极有一个最大问题就是锂枝晶，也是电池短路失效、热失控等严重后果的元凶。虽然固态电池使用固态电解质，对于锂枝晶的生长有一定抑制作用，但各类固态电解质的抑制效果不一，什么样的固态电解质是最优解现在也没个定论。并且，使用什么样的固态电解质也是目前固态电池热门的研究方向之一。对此，该论文的哈佛团队使用了一种独特方式：在锂金属负极上，增加一层由微米级硅元素（Si）和石墨（G）形成的复合材料的保护层，由此诞生了性能更优的固态电池。团队使用镍钴锰（NMC83），以及SiG复合材料保护的锂金属制作了一个固态电池包，尺寸为28X35平方毫米，远远大于一般实验室使用的纽扣电池的大小（约10倍-20倍）。在25MPa的工作压力下，该固态电池在5C的充电和放电倍率下循环，初始容量为125mAh/g。如图所示，2000次充放电循环后容量保持率为92%，3000次循环后为88%，6000次循环后仍然为80%，这个表现优于市场上其他的软包电池。并且，在不考虑压力夹具的情况下，该软包电池的能量密度已经达到218Wh/kg，超过当下主流大部分锂离子电池的能量密度。并且论文作者表示，未来还能通过减小隔板厚度、降低工作压力以及增加阴极负载进一步提升能量密度。以上这些数据已经充分证明了该SiG复合材料加入后，固态电池包具有的高性能。实际上，在固态电池中植入人工固态电解质界面层（SEI），提升固态电池的性能并不是什么新鲜事，那么为什么这样的SiG材料就能实现性能突破？材料关键：微米级硅颗粒众所周知，锂离子电池充放电的过程，就是电池阳极反复得到和失去锂离子的过程（或者说嵌入和脱嵌）。也就是说，如何在电池阳极快速、均匀、稳定地镀上或剥离锂，是该电池能否商业化的关键。该团队在实验过程中发现，在负极锂上增加由微米尺寸的硅构成的复合材料，恰好可以满足这一要求。论文通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散谱（EDS）等技术发现，在电池循环过程中，锂离子只和浅层的硅发生反应：同时硅颗粒的外形没有明显变化：这意味着微米级的硅颗粒并不会由于硅化反应膨胀，锂化反应得到抑制；同时也不会提供有利于锂枝晶生长的环境，或者说抑制锂枝晶的生长。并且，在这种材料中，硅-石墨层提供了一种活跃的3D支架，颗粒之间的空隙区域有利于锂离子的嵌入和脱嵌，能有效提高电极容量，进一步提高电池的总体容量。论文作者使用硫化电解质，和由SiG复合材料保护的锂金属制造的固态电池，放电容量达到5600mAh/G，比理论容量4200mAh/G高出很多。并且，也由于锂离子的电镀和剥离可以在平坦的硅表面上快速发生，电池只需要约10分钟就可充满电。另外，论文中还对材料的锂化反应提出了一种新的衡量标准：每单位有效模量（Keff）的锂化组成（lithiation composition per Kcrit）。论文中指出，每一种材料都有一个相应的临界模量，超过这个模量，锂化反应就会得到有效抑制。因此在固态电池的材料选择中，可以选择临界模量更低的那种。作者分析了59524种材料条目，发现除了硅以外，银和镁合金也是具有前景的负极材料。论文作者简介本文团队为全华班，五位作者均来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院，Li Xin实验室。其中Ye Luhan和Lu Yang对本文作出同等贡献。Ye Luhan在2022年取得哈佛大学博士学位，研究方向包括固态电池、锂金属阳极、电化学等。Lu Yang同样在2022年在哈佛大学获得材料工程专业研究生学位（Postgraduate Degree），在这期间还担任助理研究员。Lu Yang本科毕业于华中科技大学电子封装技术专业，硕士和博士都在圣路易斯华盛顿大学就读，分别是电气工程专业和材料科学与工程专业。第三位作者Wang Yichao，2017年本科毕业于清华大学材料科学专业，后直博哈佛，在2022年获得材料科学博士学位，现在是哈佛大学艺术与科学研究生院的助理研究员。第四位作者Li Jianyuan是Li Xin实验室的访问学者。本文的通讯作者，Li Xin，目前是哈佛材料科学专业副教授，同时是该实验室首席研究员。Li Xin在2003年毕业于南京大学物理专业，后在宾夕法尼亚大学取得材料科学与工程博士学位，还在加州理工和麻省理工当过博士后研究员。2015年Li Xin加入哈佛，后建立Li Xin实验室，之前曾开发出一款寿命周期达1万次、3分钟可充满电的固态电池。不仅在学术研究等方面拥有成绩，2021年，Li Xin还和本文作者之一Ye Luhan等人共同创建Adden Energy，专注将实验室结果推进量产落地。目前，Ye Luhan是Adden Energy的CTO，Lu Yang是Adden Energy的聚合物与电池科学家。上述的SiG材料技术也授权给了Adden Energy，推进该技术的量产落地。据Li Xin透露，公司已经扩大该技术的规模，能够制造出智能手机大小的软包电池。对于这项新的技术突破，有网友表示非常不错。他认为这就是在朝正确的方向前进，电池的续航里程没有那么重要，充电时间才是关键。不过也有网友指出，如此短的充电时间则意味着更高的充电功率。比如要在5分钟内要让容量100kWh的电池充满电，需要1.2MW的充电功率，还不包括电路损耗，当前的充电基础设施并不能满足这样的需求，所以拥有光伏装置的慢充站才是更好的解决方案。 ... PC版： 手机版：