當前固態鋰電池的實際應用情況怎么樣?
當前實用化的固態鋰離子電池已經體現了更高的安全性,但是電池容量普遍偏小,能量密度相比于主流液態鋰離子電池尚未體現出優勢,而且較高倍率充放電、循環壽命等性能不及液態鋰離子電池,成本也較高。所以其應用在規模化車用之前,有望先從特種需求入手,如對倍率性能和循環壽命要求不高,但對安全性要求較高且具備一定能量密度需求的飛機、軍用等領域。
預計2020-2021年左右,固態鋰電即可在部分特種應用方面取得一定市場規模。
在前期拓展應用領域同時,固態鋰電技術將保持安全性優勢,向高能量密度進發;同步的整車實驗也將逐步展開。
高能量密度固態鋰電的實用化或循如下途徑:從現有正負極、固體電解質材料體系出發,尋找/優化和鋰金屬/高比容量鋰合金及高比容量正極匹配的固體電解質材料體系;固體電解質用量優化;致密化;正極比容量提升;減少其他輔助組元用量;優化正負極容量比例。
鑒于正負極容量比1:1的鋰金屬負極固態鋰電完全充放時電池不同部分的體積改變、界面位置/形貌變化和負極形貌變化極大程度地影響電池壽命,而負極合金化對此的改善潛力明顯,估計實用化的高安全性、高能量密度固態鋰電最終的材料體系為高壓高鎳三元正極或硫系正極、超薄層多元復合固體電解質、鋰合金負極;單體能量密度接近400Wh/kg。
如果高性能國態鋰離子電池順利研發成功,且現有體系下的液態鋰離子電池也獲得充分優化,不妨對二者進行綜合比較,試看固態鋰離子電池能為純電動乘用車帶來何種程度上的性能提升。對相應時點的估計,預期2025年左右。(活性物質方面,固態鋰電假設為高壓高鎳三元正極、鋰合金負極;液態鋰電假設為較高壓高鎳三元正極、硅碳負極)在電池性能的比較上,電池單體能量密度方面,固態鋰電高于液態鋰電;電池系統成組效率方面,固態鋰電受益于高安全性也更高;循環壽命和快充能力方面,固態鋰電較液態鋰電仍存差距。另外,固態鋰電的電導仍然較小并部分影響整車電耗。安全性方面國態鋰電更高。電池成本的比較上,中性估計高能量密度固態鋰電的綜合成本將和液態鋰電相近。
另外,鑒于固態鋰電在大倍率充放/應對實際功率波動方面仍然存在性能短板,我們構想整車動力構型方案為增程式;由固態鋰電作為主要儲能裝置,并為其搭配高性能快充電池(擬采用快充型磷酸鐵鋰電池)進行功率波動平抑,以發揮固態鋰電優勢并延長電池包壽命。
我們選取B級純電動SUV比亞迪唐EV作為參考車型。假設到2025年,其百公里電耗有較明顯下降,并分別搭載液態鋰電(能量型)和增程式構型固態鋰電+液態鋰電(功率型),統一限定電池包質量。假設屆時120kW功率的快充樁已較為普及,60kW功率的快充樁已普及。三者基本性能均可滿足乘用車一般性應用。在關鍵的工況續航方面,采用增程式構型的國態鋰電+功率型液態鋰電組合的車型領先對應能量型液態鋰電車型150km,高達900km的工況續航可以認為真正告別了里程焦慮;快充時間方面,能量型液態鋰電車型相對更短;安全性方面,國態鋰電+功率型液態鋰電的組合也相對更高。綜合考慮各種因素后我們認為,如果材料-工藝-設備體系研發與量產進展順利,增程式平臺設計合理優化充分,采用增程式構型的固態鋰電+功率型液態鋰電組合可能是以長續航和高安全性為賣點,有較長時間離網需求的純電動車型的主要技術方案;而使用液態鋰離子電池技術的車型更可能依托發達的電力系統,在不同的續航里程-快充時間之間尋求平衡。固態鋰電或可引領純電動汽車的下一次技術革新。