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当前固态锂电池的实际应用情况怎么样?

当前实用化的固态锂离子电池已经体现了更高的安全性,但是电池容量普遍偏小,能量密度相比于主流液态锂离子电池尚未体现出优势,而且较高倍率充放电、循环寿命等性能不及液态锂离子电池,成本也较高。所以其应用在规模化车用之前,有望先从特种需求入手,如对倍率性能和循环寿命要求不高,但对安全性要求较高且具备一定能量密度需求的飞机、军用等领域。

预计2020-2021年左右,固态锂电即可在部分特种应用方面取得一定市场规模。

在前期拓展应用领域同时,固态锂电技术将保持安全性优势,向高能量密度进发;同步的整车实验也将逐步展开。

高能量密度固态锂电的实用化或循如下途径:从现有正负极、固体电解质材料体系出发,寻找/优化和锂金属/高比容量锂合金及高比容量正极匹配的固体电解质材料体系;固体电解质用量优化;致密化;正极比容量提升;减少其他辅助组元用量;优化正负极容量比例。

鉴于正负极容量比1:1的锂金属负极固态锂电完全充放时电池不同部分的体积改变、界面位置/形貌变化和负极形貌变化极大程度地影响电池寿命,而负极合金化对此的改善潜力明显,估计实用化的高安全性、高能量密度固态锂电最终的材料体系为高压高镍三元正极或硫系正极、超薄层多元复合固体电解质、锂合金负极;单体能量密度接近400Wh/kg。

如果高性能国态锂离子电池顺利研发成功,且现有体系下的液态锂离子电池也获得充分优化,不妨对二者进行综合比较,试看固态锂离子电池能为纯电动乘用车带来何种程度上的性能提升。对相应时点的估计,预期2025年左右。(活性物质方面,固态锂电假设为高压高镍三元正极、锂合金负极;液态锂电假设为较高压高镍三元正极、硅碳负极)在电池性能的比较上,电池单体能量密度方面,固态锂电高于液态锂电;电池系统成组效率方面,固态锂电受益于高安全性也更高;循环寿命和快充能力方面,固态锂电较液态锂电仍存差距。另外,固态锂电的电导仍然较小并部分影响整车电耗。安全性方面国态锂电更高。电池成本的比较上,中性估计高能量密度固态锂电的综合成本将和液态锂电相近。

另外,鉴于固态锂电在大倍率充放/应对实际功率波动方面仍然存在性能短板,大家构想整车动力构型方案为增程式;由固态锂电作为主要储能装置,并为其搭配高性能快充电池(拟采用快充型磷酸铁锂电池)进行功率波动平抑,以发挥固态锂电优势并延长电池包寿命。

大家选取B级纯电动SUV比亚迪唐EV作为参考车型。假设到2025年,其百公里电耗有较明显下降,并分别搭载液态锂电(能量型)和增程式构型固态锂电+液态锂电(功率型),统一限定电池包质量。假设届时120kW功率的快充桩已较为普及,60kW功率的快充桩已普及。三者基本性能均可满足乘用车一般性应用。在关键的工况续航方面,采用增程式构型的国态锂电+功率型液态锂电组合的车型领先对应能量型液态锂电车型150km,高达900km的工况续航可以认为真正告别了里程焦虑;快充时间方面,能量型液态锂电车型相对更短;安全性方面,国态锂电+功率型液态锂电的组合也相对更高。综合考虑各种因素后大家认为,如果材料-工艺-设备体系研发与量产进展顺利,增程式平台设计合理优化充分,采用增程式构型的固态锂电+功率型液态锂电组合可能是以长续航和高安全性为卖点,有较长时间离网需求的纯电动车型的主要技术方案;而使用液态锂离子电池技术的车型更可能依托发达的电力系统,在不同的续航里程-快充时间之间寻求平衡。固态锂电或可引领纯电动汽车的下一次技术革新。

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