固态电池在电动汽车中的应用

固态电池在电动汽车中的应用

张保振 顾利辉 刘涛  

邢台朝阳机械制造有限公司054000

摘要：随着全球汽车工业的发展和环境保护意识的提高，电动汽车作为替代传统燃油车的主要方向备受关注。然而，传统锂离子电池存在着能量密度不足、安全性差等问题，而固态电池以其高能量密度、安全性能优越等特点备受期待成为下一代电动汽车的核心动力来源。本文介绍了固态电池的分类及其基本原理，探讨了各大车企在固态电池研发领域的最新进展，总结了目前固态电池生产中存在的诸多问题，如生产成本高、制造工艺限制等。通过对固态电池在电动汽车中的应用进行全面系统的分析和探讨，旨在为推动电动汽车技术的发展和应用提供参考和借鉴，为构建绿色低碳的交通运输体系贡献力量。

关键词：固态电池；电动汽车；进展研究

1、引言

随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的提高，电动汽车作为替代传统燃油车的可持续解决方案备受关注[1]。然而，传统锂离子电池作为电动汽车的主要动力源，其能量密度不高、安全性不足等问题逐渐显露出来。在此背景下，固态电池作为一种具有高能量密度、安全性能优越等优势的新型电池技术备受瞩目。

固态电池相较于传统锂离子电池，其采用固态电解质代替液态电解质，能够有效提升电池的安全性能，并具备更高的能量密度和更长的循环寿命[2]。这使得固态电池成为了下一代电动汽车的潜在动力来源。然而，尽管固态电池技术在近年来取得了显著的进展，但其在商业化应用方面仍面临诸多挑战。

本文旨在全面了解固态电池技术的发展趋势和商业化前景，为推动电动汽车技术的进步和应用提供理论和实践参考。

2、固态电池分类

固态电池作为下一代电动汽车的潜在动力源备受瞩目。根据电解质材料的不同，常见的固态电解质可分为聚合物类、氧化物类和硫化物类三大体系[3]。聚合物类固态电解质由高分子材料构成，具有制备工艺简单、柔性好、成本低廉等优点，但其离子传导率较低，导致功率密度相对较低。氧化物类固态电解质由氧化物陶瓷材料构成，具有高离子传导率、优异的化学稳定性和较宽的电化学窗口等优点，但制备工艺复杂，成本较高。硫化物类固态电解质由硫化物材料构成，具有较高的离子传导率、优异的化学稳定性和较低的制备成本，适用于柔性电池等特殊应用场景，但在高温下可能出现性能下降的问题。选择合适的固态电解质体系将对固态电池的性能和应用产生重要影响。

3、车企研发进展

除了特斯拉将固态电池技术作为研究的重点领域外，其他车企也在不同方面展现了各自的特色。例如，丰田在固态电池研发中注重材料的选择和电解质的设计。他们与专业的固态电池技术公司合作，致力于研发高性能的固态电解质材料，以提高电池的离子传导性能和化学稳定性。丰田还专注于固态电池的制备工艺和生产技术，以实现规模化生产和商业化应用。另一方面，通用汽车采取了多元化的研发策略，将固态电池技术应用于各种类型的电动汽车产品中，包括乘用车、商用车和跨界车型等。通用汽车致力于在不同车型中优化固态电池系统的设计和性能，以满足不同消费者群体的需求，并加速固态电池技术在汽车行业的推广和应用。

丰田在固态电池研发方面的侧重点主要体现在材料的选择和电解质设计上，该公司与固态电池技术公司合作，共同研发高性能的固态电解质材料，以提高电池的离子传导性能和化学稳定性。丰田还注重固态电池的制备工艺和生产技术，致力于实现固态电池的规模化生产和商业化应用。通用汽车则在固态电池技术的多元化应用方面展现出独特的研发策略，该公司将固态电池技术应用于不同类型的电动汽车产品中，包括乘用车、商用车和跨界车型等。通用汽车致力于在不同的车型中优化固态电池系统的设计和性能，以满足不同消费者群体的需求，并加速固态电池技术在汽车行业的推广和普及。

4、主要存在问题

要解决的首要问题是生产成本。根据估算，目前全固态电池的原材料成本约为2～3元／wh，明显高于目前的液态电池，并且全固态电池的生产线设备仍需进行定制化研发，初期制造合格率可能较低，将进一步推高整体成本。原材料价格高昂和供应链体系不完善导致当前全固态电池的生产成本居高不下。随着技术的进步和产业的发展，通过提升材料性能、简化生产工艺、创新电芯结构等手段，全固态电池在大规模量产后有望在一定程度上降低生产成本，远期成本目标为1元／wh。

作为固态电池的核心组成部分之一，电解质的性能直接影响着电池的稳定性和性能。然而，目前常用的硫化物固态电解质和氧化物同态电解质都存在一些挑战，例如硫化物固态电解质的材料稳定性和生产成本问题，氧化物同态电解质在加工温度和性能方面的限制。电极材料的性能直接影响着固态电池的能量密度和循环性能，随着能量密度的不断提高，正极材料和负极材料向着更高镍含量、更高锂含量以及硅基材料或锂金属方向发展。然而，这些新材料与固态电解质的配对可能会导致结构不稳定、体积膨胀等问题，从而影响电池的性能和稳定性。电解质与电极之间的界面直接影响着电池的性能和循环寿命，界面工程需要解决电解质与电极的良好接触、减少界面电阻等问题，而制备工艺的改进则需要定制开发设备、优化工艺参数等，以提高生产效率和降低成本。

固态电池的制备工艺需要不断创新和优化，当前的制备工艺往往面临着设备不足、工艺参数不够优化以及生产规模扩大困难等挑战。例如，现有的设备可能无法满足固态电池材料的精确加工要求，导致产品的性能和稳定性受到影响。工艺参数的优化也是一个复杂的问题，需要通过大量实验和理论分析来寻找最佳的制备条件。材料的处理过程直接影响着电池的结构和性能，因此需要采用精密的材料处理技术来确保电池的稳定性和性能。当前的材料处理方法往往存在着能耗高、成本昂贵、操作复杂等问题，限制了固态电池制备工艺的进一步发展。随着固态电池技术的发展，对于大规模生产的需求也在不断增加，这就要求制备工艺能够实现高效、低成本的生产。目前的制备工艺往往存在着生产效率低、能耗高、原材料成本高等问题，制约了固态电池的商业化应用和市场推广。

最终涉及安全标准问题。虽然固态电池具备内在安全性，使得相比液态电池，全固态电池的安全性显著提高，可在一定程度上减少系统安全设计的零部件和成本，但仍需重视电池系统的安全性能，尤其是在使用锂金属作为负极时。全固态电池并不具备绝对的安全性，电池系统仍存在着一定程度的热失控和热扩散风险，因此，需要根据热扩散的不同阶段来优化设计安全与防护措施，增强电芯级别的热失控预警能力和系统级别的热扩散防护能力，以实现固态电池的能量密度和安全性能的双重提升。

5、结语

固态电池由于同态电解质的安全性优势，相较于液态电池具有显著提升的安全性，有望成为未来电池技术的主流。尽管固态电池在安全性方面有所改善，但仍存在热失控和热扩散的潜在风险，尤其是在采用锂金属作为负极时。所以需要加强电池系统的安全设计和防护措施，提高热失控预警和热扩散防护能力，以确保固态电池的安全性能。通过系统级别的优化设计和技术创新，固态电池有望实现能量密度和安全性能的双重提升，推动电动汽车、便携式电子产品等领域的发展。本研究为固态电池的应用提供了重要的理论基础和实践指导，为未来电池技术的发展指明了方向。

参考文献：

[1] 何天贤,刘文杰,雷源春. 固态电池在电动汽车中的应用[J]. 汽车电器,2023(10):17-21.

[2] 李杨,丁飞,桑林,等. 固态电池研究进展[J]. 电源技术,2019,43(7):1085-1089.

[3] 赵宇龙,孙旭东. 固态电池关键制造工艺综述[J]. 汽车工艺师,2022(7):25-32.