液态锂电池的能量密度极限是350Wh/kg,而全固态锂电池有望达到500Wh/kg的能量密度,相当于在里程数在接近现在电动车的2倍,并且充电速度快到离谱。
因此,比亚迪于2013年启动了全固态电池的研发,当时主要探索技术路线和材料。2016年开始验证全固态电池的技术可行性,当时的样机主要是容量小于1Ah的软包电池。2023年比亚迪已开始验证全固态电池产业化的可行性,并设计电池系统、材料和各种技术。2024年,比亚迪已经实现了单节容量分别为20Ah和60Ah的固态电池电芯试验产品下线。
固态锂电池有三个门派【硫化物+氧化物+聚合物】……
比亚迪选择硫化物的原因如图1~图7所示——硫化物固态电解质因其优异的离子电导率和良好的延展性,被认为是实现全固态电池的理想候选材料。
然而,其对水分的高度敏感性要求其加工环境与现有的锂离子电池制造基础设施并不兼容。因此需要各大厂商修改生产线,使硫化物固态电解质能够在潮湿的空气环境中进行加工。
最后科学家发现长链烷基硫醇——十一烷硫醇与该电解质具有良好的化学相容性,且对其离子电导率的影响可以忽略不计。更重要的是,硫醇改性显著延长了硫化物固态电解质在相对湿度为33%的空气中暴露的时间,使其结构降解程度有限,同时在长达2天的时间内保持1mS/cm以上的电导率,其保护时间比其他方法提高了100倍以上。
实验和计算结果表明,硫醇基团锚定在固态电解质表面,而疏水性烃链则通过排斥水分子来提供保护。
当应用于Li0.5InLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2全固态电池时,改性后的Li6PS5Cl固态电解质在暴露于环境湿度后仍能保持其功能。
这种基于表面分子相互作用的保护策略,代表着在全固态电池应用中,实现具有成本竞争力和能效的硫化物固态电解质制造方面迈出了重要一步。
