動(dòng)力電池的發(fā)展與挑戰(zhàn)

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；液態(tài)電池；全固態(tài)電池

0 前言

動(dòng)力電池作為一種先進(jìn)的能源存儲(chǔ)技術(shù)，已經(jīng)成為當(dāng)今世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分?，F(xiàn)階段，多數(shù)國(guó)家的能源仍主要依賴化石燃料，隨著全球?qū)τ跍p少溫室氣體排放需求的日益增加，將動(dòng)力電池技術(shù)應(yīng)用在電動(dòng)汽車和可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)中，成為了推動(dòng)這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵方向。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)快速普及，高性能、高安全性和低成本成為動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展方向。

車輛電動(dòng)化對(duì)能量密度、安全性和可靠性提出了更高的要求。目前，液態(tài)電解質(zhì)動(dòng)力電池的能量密度增長(zhǎng)空間較小，不僅限制了汽車的續(xù)航能力，而且還存在自燃、漏液等危險(xiǎn)，因此國(guó)內(nèi)外企業(yè)紛紛開(kāi)展了相關(guān)研究。使用固體電解質(zhì)作為動(dòng)力電池，不但可以從根本上解決安全問(wèn)題，還可以大幅提升其能量密度，滿足車輛超長(zhǎng)續(xù)航能力的需求［1］。隨著新能源汽車工業(yè)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的液態(tài)電解液已無(wú)法滿足市場(chǎng)要求，而固體電解質(zhì)由于其在安全性、高能量密度等方面的優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。但目前其還存在無(wú)機(jī)電解質(zhì)的界面性質(zhì)較差，高分子電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)率較低等問(wèn)題，這也制約了固體電解質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用［2］。

在我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下，新能源汽車與儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略的重要切入點(diǎn)。鋰離子電池是目前新能源汽車、能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域的核心技術(shù)，但現(xiàn)有鋰離子電池多為液體電解液，在安全、比容量等方面均存在瓶頸，很難滿足新能源汽車、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的發(fā)展需要。因此，以無(wú)機(jī)硫化物固體電解質(zhì)替代常用的液體電解質(zhì)，可有效避免液體電解質(zhì)的可燃性和安全性問(wèn)題。同時(shí)，利用硫系電解液的高離子導(dǎo)電率，可實(shí)現(xiàn)高倍率充放電［3］。使用固態(tài)電解液作為動(dòng)力電池，不但可以從根本上解決安全問(wèn)題，還可以大幅提升其能量密度，滿足汽車超長(zhǎng)續(xù)航的需求［1］。液態(tài)鋰電池在大規(guī)模使用過(guò)程中，頻繁發(fā)生熱失控事件，其熱安全、效能等難題亟需解決。而全固態(tài)鋰電池具有高能量密度、高安全性等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分廣闊［4］。

1 動(dòng)力電池介紹

1. 1 動(dòng)力電池類型

動(dòng)力電池類型眾多，每種類型都有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)有類型包括：① 鋰離子電池，這是當(dāng)前使用最廣泛的電池類型之一，其特點(diǎn)是高能量密度、較長(zhǎng)的循環(huán)壽命和較低的自放電率，主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車和便攜式電子設(shè)備；② 鎳氫電池（NiMH），比傳統(tǒng)的鎳鎘電池環(huán)保，擁有更高的能量密度，但自放電率較高，主要應(yīng)用于某些舊型電動(dòng)汽車和電子產(chǎn)品；③ 鉛酸電池，這是最古老的電池類型之一，其特點(diǎn)是成本低廉、技術(shù)成熟，但能量密度低，質(zhì)量大，主要應(yīng)用于緊急電源系統(tǒng)和某些工業(yè)領(lǐng)域；④ 固態(tài)電池，這是一種新興的電池技術(shù)，采用固態(tài)電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，可提供更高的安全性和能量密度，是電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1. 2 動(dòng)力電池的工作原理

動(dòng)力電池的基本工作原理涉及電化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)在電池的陽(yáng)極和陰極之間進(jìn)行。在放電過(guò)程中，陽(yáng)極釋放電子，這些電子通過(guò)外部電路流向陰極，同時(shí)，陽(yáng)極材料中的鋰離子通過(guò)電解質(zhì)移動(dòng)到陰極；在充電過(guò)程中，這個(gè)過(guò)程反向進(jìn)行。放電時(shí)，鋰離子從陽(yáng)極（通常是石墨）移動(dòng)到陰極（如鋰鈷氧化物）；充電時(shí)，鋰離子從陰極移回陽(yáng)極。而鎳氫電池在放電時(shí)鎳氧化物在陰極還原，而氫在陽(yáng)極氧化；充電時(shí)，反應(yīng)逆轉(zhuǎn)。鉛酸電池在放電時(shí)，鉛和鉛二氧化物分別在陽(yáng)極和陰極與硫酸反應(yīng)，生成硫酸鉛；充電時(shí)，硫酸鉛分解回原來(lái)的材料。固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池類似，但其使用固態(tài)電解質(zhì)，能夠提高電池的安全性和能量密度。

2 動(dòng)力電池的應(yīng)用

2. 1 電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

動(dòng)力電池被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。電動(dòng)汽車的核心組件是電池組，這直接影響了車輛的續(xù)航里程、加速性能、整備質(zhì)量和成本。隨著鋰離子電池技術(shù)的成熟和優(yōu)化，電動(dòng)汽車的性能得到了顯著提升，使得電動(dòng)汽車成為了可持續(xù)交通的重要組成部分。除了傳統(tǒng)的乘用車外，巴士、卡車甚至摩托車也開(kāi)始采用動(dòng)力電池，推動(dòng)了整個(gè)交通行業(yè)的電氣化發(fā)展。

2. 2 儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

動(dòng)力電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益增加，尤其是在可再生能源領(lǐng)域。太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源的輸出依賴于天氣條件，因此需要有效的儲(chǔ)能解決方案來(lái)平衡供需。動(dòng)力電池提供了一種靈活且高效的方式來(lái)存儲(chǔ)這些間歇性能源，在需要時(shí)釋放電能。這種儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用不局限于電網(wǎng)規(guī)模，還包括家庭和商業(yè)級(jí)別的儲(chǔ)能，推動(dòng)能源系統(tǒng)去中心化創(chuàng)新發(fā)展。

2. 3 特殊應(yīng)用領(lǐng)域

除了電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)，動(dòng)力電池在其他領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。例如，在航空航天領(lǐng)域，高性能的動(dòng)力電池可用于無(wú)人機(jī)和某些類型的飛機(jī)。在醫(yī)療領(lǐng)域，動(dòng)力電池能夠供電給移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備和緊急醫(yī)療設(shè)備。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力電池也在各種便攜式和穿戴式設(shè)備中得到應(yīng)用。

3 當(dāng)前的技術(shù)挑戰(zhàn)

固態(tài)電池是一種新型電池技術(shù)，與傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)電池相比具有潛在的優(yōu)勢(shì)。然而，固態(tài)電池技術(shù)仍然面臨一些挑戰(zhàn)和限制：① 成本問(wèn)題。固態(tài)電池的制造成本較高，主要是因?yàn)槠湓谥圃爝^(guò)程中需要使用昂貴的材料和技術(shù)，降低成本對(duì)于其商業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用是關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。② 材料的穩(wěn)定性。固態(tài)電池使用復(fù)雜的材料組合，需要確保材料在多次充放電循環(huán)中保持穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性。一些材料可能會(huì)在循環(huán)中發(fā)生膨脹、收縮或化學(xué)變化，從而影響電池性能。③ 密封性和可靠性。固態(tài)電池需要具有良好的密封性，以防止電解質(zhì)滲漏或外部環(huán)境對(duì)電池的影響。此外，固態(tài)電池必須在各種溫度條件下保持穩(wěn)定性，包括極端寒冷和高溫環(huán)境。④ 充放電速度。固態(tài)電池中的離子傳輸速度可能較慢，限制了電池的充放電速度，如何有效提高電池的動(dòng)力性能仍然存在挑戰(zhàn)。⑤ 容量和能量密度。盡管固態(tài)電池具有更高的能量密度潛力，但目前固態(tài)電池在這方面的性能仍然不如某些液體電池技術(shù)。⑥ 大規(guī)模生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化仍然面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，包括生產(chǎn)設(shè)備和工藝的優(yōu)化。

盡管固態(tài)電池面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，但研究和開(kāi)發(fā)人員正在積極尋求解決方案，推動(dòng)這一技術(shù)的發(fā)展。隨著時(shí)間的推移，固態(tài)電池有望逐漸克服這些問(wèn)題，為更安全、高效和可持續(xù)的能源存儲(chǔ)解決方案提供更多可能性。

4 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4. 1 最新研究進(jìn)展和技術(shù)創(chuàng)新

隨著動(dòng)力電池領(lǐng)域研究的快速發(fā)展，新技術(shù)和新材料的出現(xiàn)為電池性能的提升提供了可能。主要的重要研究方向包括：① 固態(tài)電池技術(shù)。固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，預(yù)計(jì)能提供更高的安全性和能量密度。針對(duì)固態(tài)電池的研究正在快速發(fā)展，有望在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。② 高壓鋰電池技術(shù)。高壓鋰電池單體的成組效率取決于模塊結(jié)構(gòu)的最佳程度，相同長(zhǎng)度、寬度的單體，成組效率。相比于高鎳電池，高壓鋰電池更具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)，但還需要兼顧電池能量密度、循環(huán)壽命、倍率性能、價(jià)格及安全性等。同時(shí)，高壓鋰電池的電解質(zhì)問(wèn)題還有待于解決。

4. 2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

固態(tài)電池是電池技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，具有潛在的革命性變革能源存儲(chǔ)和移動(dòng)應(yīng)用的能力。① 固態(tài)電池未來(lái)的發(fā)展方向之一是提高能量密度，使其能夠儲(chǔ)存更多的電能，從而延長(zhǎng)電池的續(xù)航里程和使用時(shí)間。這將有助于推動(dòng)電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛機(jī)和其他高能耗應(yīng)用的發(fā)展。② 固態(tài)電池需要改善離子傳輸速度，以提高充電和放電速度，使其能夠更快地充電并釋放電能。這對(duì)于提高電池的動(dòng)力性能和便利性非常重要。③ 目前固態(tài)電池的制造成本較高，這限制了其商業(yè)化應(yīng)用，應(yīng)著重于降低生產(chǎn)成本，采用更經(jīng)濟(jì)高效的制造工藝和材料。④ 固態(tài)電池具有更高的安全性，不容易發(fā)生熱失控和電解質(zhì)泄漏等問(wèn)題。未來(lái)的發(fā)展將繼續(xù)強(qiáng)調(diào)電池的安全性，并尋求更可靠的設(shè)計(jì)和材料。⑤ 未來(lái)固態(tài)電池的發(fā)展將更加關(guān)注環(huán)保問(wèn)題和社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展。這包括減少對(duì)稀有材料的依賴，采用可回收材料，以及減少電池生命周期中的環(huán)境影響。⑥ 固態(tài)電池不僅僅用于電動(dòng)車輛，還可以應(yīng)用于航空、航天、消費(fèi)電子、能源儲(chǔ)存等各個(gè)領(lǐng)域。⑦ 繼續(xù)探索新型材料和電池設(shè)計(jì)，以改進(jìn)固態(tài)電池的性能。例如，使用納米材料、固態(tài)電解質(zhì)和新型電極材料等，從而持續(xù)推動(dòng)固態(tài)電池技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)，動(dòng)力電池技術(shù)將繼續(xù)快速發(fā)展，新的電池類型及其升級(jí)技術(shù)有望解決當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。隨著電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)的普及，動(dòng)力電池將在全球能源轉(zhuǎn)型中扮演越來(lái)越重要的角色。此外，電池技術(shù)的發(fā)展也將推動(dòng)其他領(lǐng)域的創(chuàng)新，如移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備、智能家居系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等。總體而言，動(dòng)力電池技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，但同時(shí)也面臨諸多挑戰(zhàn)。

總體來(lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)電池相比，固態(tài)電池是電池技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，具有安全性、高能量密度等方面的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)不斷的研究和創(chuàng)新，固態(tài)電池有望成為未來(lái)能源存儲(chǔ)和移動(dòng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，固態(tài)電池將更好地滿足不同領(lǐng)域的需求，并為可持續(xù)能源和可再生能源的發(fā)展提供支持。