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凝聚态电池:材料创新驱动下的高安全性电池解决方案
2024年09月27日
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与传统液态锂离子电池相比,凝聚态电池技术在安全性、性能、成本效益和应用场景方面都具有显著优势,特别适合对安全标准要求极高的场合,如电站、化石工厂等。同时,凝聚态电池的生产线与现有液态电池产线高度兼容,降低了产业升级成本。它在电动车、无人机、智能机器人等高能量需求领域有广泛应用前景,是推动锂电行业发展的重要力量。


固态电池:下一代电池产品


在全球双碳背景下,新能源汽车,尤其是电动车的渗透率正在迅速提升,而作为给电动车提供动力的“心脏”,锂电池早已为大家所熟知。不过随着应用场景的逐渐升级,业界对电池的性能与安全性两方面都提出了更高的要求。


在性能方面,当前的锂电池能量密度仍不足以支持电动车的长续航,导致了车主需要频繁进行充电,严重影响了电动车的使用效率;而安全性方面,锂电池的电解液中含有有机溶剂,其高挥发、易燃的特征使得当前的锂电池存在一定安全隐患。


针对目前锂电池在性能与安全性两大领域存在的不足,业界正积极进行新型电池产品的开发,而全固态电池被广泛认为是最具潜力的下一代锂电池产品。


所谓全固态电池,就是将传统锂电池中的液态电解液完全替换成固态电解质,体系中不再含有液体成分,也不再需要隔膜阻断正负极。


相较于传统的液态锂电池,全固态电池在提升安全性的基础上,能够适配更高性能的正负极,从而获得更高的能量密度、更长的使用寿命和更快的充电速度,大幅提升电池性能。这些优点使得全固态电池在多种应用场景下均有出色的表现,电池固态化已是必然的趋势。



但在现阶段,全固态电池技术实现难度较大,在技术与产业层面都还有较多难关有待攻克:正负极极片和固态电解质之间无法做到像液体一样完美接触,界面阻抗大;此外,全固态电池还存在原材料生产成本高、工艺复杂、良品率低等问题。


尽管国内外多家头部电池厂商已在全固态电池领域有所布局,其全面推广应用仍有很长的一段路要走。正因如此,半固态电池作为一种过渡性产品,受到当前市场的广泛关注。


半固态电池:过渡性方案


● 基本概念


半固态电池是从传统液态锂离子电池向固态电池发展过程中的一款过渡产品,主要以固液混合的形态为主。近期关于固态电池的信息引起了市场的广泛关注,但根据严格的定义,当前发布的产品都不属于固态电池的范畴,而是对传统锂离子电池的材料进行了改进的半固态电池。


具体来说,半固态电池仍然保留了传统锂电池的结构(正负极、电解质、隔膜),并在传统液态锂电池中加入一定的固态电解质,使得电池内部既有液态电解液又有固态电解质。在性能与安全性方面,半固态电池相比液态电池有小幅提升,但在结构中仍含有较多自由流动的可燃液体。


● 挑战


目前半固态电池已经有部分产品试装车,但也存在着一些问题,例如电池循环寿命短、充放电倍率低、生产成本高、工艺复杂、良品率低下、设备改动多等。因此,业界需要一款综合性价比更高的解决方案。


凝聚态电池:创新与改良


● 基本概念


针对行业当前痛点,凝聚态电池产品应运而生。凝聚态电池采用特殊的工艺,将流动的电解液转化成凝胶电解质,电解质整体呈现凝胶状态,这样既不影响锂离子的自由流通,又大大减少了电池内部游离态的电解液。



● 独特优势


1. 安全性高:

凝聚态电池通过凝胶化技术,有效锁定了电池内部的易燃物质,大幅降低了燃烧风险。这种创新的电解质设计,确保了电池即使在极端条件下也能保持稳定,不会发生燃烧。电池穿刺测试结果显示,充满电的电芯在整个测试过程中很好地保持了完整性,没有出现破裂、冒烟或起火现象。凝聚态电池的高安全性为电池应用提供了更为可靠的保障。



2. 性能优秀:

凝聚态电池采用特殊电解质添加工艺,确保了在凝胶化过程中电解液的离子通道功能不受损害,导电性能相比液态电池也毫不逊色。这一技术优化使得凝聚态电池在高倍率使用场景中表现尤为出色,能够实现高电压下的快速充放电,满足了新兴应用场景对电池即时输出功率的高需求。


此外,凝胶化的电解质具备出色的保液性,即使在强力按压下也能有效防止漏液,这不仅保护了电池内部结构,也显著延长了电池的使用寿命。


在能量密度方面,创新的凝胶电解质能够与更高性能的正负极材料相匹配,进一步提升电池的能量密度。这一进步使得搭载凝聚态电池的应用产品能够实现更长的续航以及更大的储存容量,产品经济高效,为用户带来了更加良好的使用体验。



3. 成本效益显著:

凝聚态电池采用了体外聚合后再进行组装的工艺,流程简单、生产良品率高,同时,凝聚态电池的生产线与现有的液态电池产线具有很高的适配性,这意味着在进行技术升级和转型时,所需的改线成本相对较低。这种高兼容性不仅减少了产业升级的投资,也为现有生产线的平滑过渡提供了便利,进一步降低了电池企业的运营成本。


4. 应用场景广泛:

凝聚态电池的高安全性是其在多应用领域中取得成功的关键,特别是对于那些对安全标准有着极高要求的场合,如电站、化石工厂、天然气管道等,凝聚态电池可以搭载在无人机或机器人上,为客户提供可靠的智能巡检解决方案,确保了这些关键基础设施的安全运营。


同时,凝聚态电池的高能量密度和出色的充放电倍率使其成为新能源车、电动摩托车、无人机、智能机器人、电动工具以及新兴的电动垂直起降飞行器(eVTOL)等高能量需求应用的理想选择。这些应用场景对电池性能的要求极为严格,凝聚态电池能够提供必要的动力支持,同时保持高效和稳定。


对于家庭和便携式储能产品而言,需要在保证性能的同时,也要考虑到经济性和长期使用的可靠性。凝聚态电池凭借其耐用性和成本效益满足上述需求,为用户提供了高效、经济的能源存储解决方案。



● 产品对比


与传统的液态锂离子电池相比,凝聚态电池不仅具有更高的能量密度,而且在安全性方面也更为卓越,这使其成为电动车、储能、无人机等各种应用场景的理想选择。


而与市场上已推出的固液混合型半固态电池相比,凝聚态电池具备一系列显著优势,包括但不限于对高倍率快速充放电的支持能力、长循环寿命,以及在生产线上的高适配性、高良品率和较低的生产成本。


凝聚态电池在半固态电池技术的基础之上进行了创新与突破,是推动锂电行业进一步发展的重要推动力。


● 结语


在对电池需求日益旺盛的当下,全固态电池同时具备高安全性与高性能两大优势,是行业内公认的下一代新能源解决方案,电池的固态化已成必然的趋势。


而半固态电池作为固态电池落地前的过渡性产品,在电池寿命、充电速度、生产成本等多方面仍然存在问题,对整个产业链的冲击有限。


相比之下,凝聚态电池在性能与安全性两大领域做到了同时提升,能够满足当下新能源市场对电池安全性的迫切需求,帮助提升已有市场产品的升级换代,助推新能源车、无人机等产品超长续航和快速充电,挖掘锂电下游市场的新潜力,从而为锂电产业的持续增长和规模扩张提供了新的动力。

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