你肯定遇到过手机用久了电池不耐用的情况,你可能没想过,下一代电池技术竟然能自己修复裂缝。
中国科学家最近搞出了个大新闻,全固态电池在完全不加外部压力的情况下,稳定循环了300次后电量还能剩七成以上。 这听起来像魔法,它是登在《自然》子刊上的真实突破。
传统电池里装着易燃的液体电解质,固态电池用的是固体材料,从根本上解决了安全问题。 固态电池有个致命伤:电极和电解质之间老是出现缝隙。
锂金属在充放电时会像气球一样膨胀收缩,硬邦邦的电解质没法像液体那样流动填补空隙。
这些微小的空隙会导致电池内阻飙升,局部过热,甚至长出像树枝一样的锂枝晶刺穿电池。
为了解决这个问题,工厂不得不用钢架把电池紧紧压住,压力大到相当于50个大气压。 这套笨重系统让电池组变得又贵又占地方。
中科院物理所黄学杰团队想了个妙招。 他们在硫化物电解质里加了点碘离子,电池工作时这些离子会自己跑到界面处,形成一层能自动适应变形的缓冲带。
这层动态界面就像智能橡皮泥,电极一膨胀它就压紧,一收缩它就填充,永远保持亲密接触。
实验数据让人眼前一亮。 在仅0.6兆帕的轻微压力下,使用钛酸锂正极的电池经历了2400次充放电循环,容量保持率居然高达90.7%。
3厘米见方的软包电池在完全撤去外部压力后,零压环境下跑了300个循环,还能留住74.4%的电量。
充电速度也够吓人。 5C倍率下快充(12分钟充满),电池依然能稳定输出能量。 这意味着未来电动车充电可能比现在加油还快,充个咖啡的功夫就能续上几百公里续航。
就在这项成果公布前不到两周,清华大学团队刚被《自然》主刊收录了固态电解质研究。 两家顶尖机构半月内接连登顶国际期刊,中国固态电池研发呈现出井喷态势。
黄学杰研究员透露,这项技术已获中国发明专利,正在申请国际保护。 从实验室走到量产线大约还需要3到5年攻关,主要卡在工艺设备和成本控制上。
目前团队正在松山湖材料实验室推进中试,尝试把电池能量密度做到500瓦时/千克以上。
产业化进程其实早有征兆。 2023年宁德时代就展示过能量密度400瓦时/千克的固态电池样品,当时还需要施加外部压力。 这次突破直接把压力要求降为零,让电池结构设计获得更大自由度。
安全问题也有新进展。 富碘界面与锂金属的化学反应更温和,从根本上抑制了枝晶生长。 实验显示,带动态界面的电池在针刺测试中仅冒烟不起火,相比传统液态电池的安全性提升明显。
成本方面倒是意外之喜。 碘元素在地壳中储量丰富,每公斤价格不到百元。 团队测算显示,新工艺不会增加电池成本,反因省去加压结构能让整体造价降低15%左右。
应用场景正在快速拓展。 除了电动车领域,无人机公司已经开始接洽团队,希望开发高安全性的航空电池。 人形机器人制造商则看中其高能量密度特性,计划用于下一代产品动力系统。
制造工艺上还有个巧妙设计。 动态界面在电池首次充放电时自动生成,不需要增加额外生产工序。
现有的叠片机、卷绕设备稍作改造就能适配,这为规模化生产扫清障碍。
温度适应性测试结果令人惊喜。 在零下20度环境里,新电池仍能放出85%的电量,普通锂离子电池此时可能已经冻僵。
高温测试更夸张,80度环境下循环寿命反提升,因为热运动加速了界面自修复过程。
清华大学团队同期突破的电解质材料,解决了离子电导率低的痛点。 两种技术路线形成互补,一条攻界面接触,一条攻传导效率,像钳形攻势般夹击固态电池产业化难题。
产业界反应速度超预期。 比亚迪、蔚来等车企的电池部门已派团队对接实验室,国轩高科甚至直接包下整条中试线产能。 设备商也不甘落后,先导智能正在开发专用零压封装设备。
标准制定工作悄然启动。 中国汽车动力电池产业创新联盟正在起草固态电池安全测试规范,其中零压循环项目直接引用了中科院团队的300次循环数据。 国际电工委员会也派人来华交流,考虑将动态界面技术写入国际标准。
材料供应链开始躁动。 四川的碘矿企业最近接到大量询价,青海盐湖提锂项目则加速了锂金属负极材料的开发。 资本市场上,固态电池概念股两周内平均涨幅超过30%。
不过现实挑战依然存在。 正极材料界面问题还没完全解决,大尺寸电芯的良品率目前只有60%。 生产线上的老师傅吐槽说,封装时的手工环节比传统电池多出五道工序。
军方需求带来意外推动。 某军工单位要求开发能在剧烈震动下工作的电池,动态界面技术恰好满足要求。 现在实验室里摆着各种振动台,测试条件比汽车标准严苛十倍。
消费者可能很快就能体验到变化。 黄学杰团队预计,3年内会有搭载半固态电池的电动自行车上市,5年内轿车级产品进入市场。 到时候充电焦虑和安全担忧,或许真能成为历史。
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