SSB电池储能系统的发展与趋势

2026-02-03 09:35:27

电动轿车电池储能体系的开展已从传统电池转向锂离子电池 [9–11]。研讨人员致力于经过关注容量、功率、能量密度、安全性和电池电压来提升电池功能。电动轿车的锂离子电池技能一般选用LiNiMnCoO₂(NMC)正极和石墨基负极，以下降钴含量并从液态电解质转向固态代替品 [12, 13]. 电池储能体系分为三代。上一代选用铅酸和镍基电池。当时一代运用锂基（Li-based）电池，在两项指标上显示出改善 [9]. 未来一代仍在研制中，没有完成商业化 [14]. 图1展示了电动轿车电池的演化进程 [9].

图1.

电动轿车电池储能体系的代际演化。

2.1 上一代

上一代电池，包括铅酸电池和镍基（Ni基）电池，代表了锂电年代之前的年代。大多数传统电池的技能、老练度和运用已十分老练 [9, 15].

2.1.1 铅酸电池

铅酸电池宗族敞开了电化学电池年代。1859年，法国人加斯顿·普兰特首次提出了铅酸电池的概念[9]。不同的运用需求不同类型的铅酸电池储能体系，每种体系都具有特定的充放电特性。由于技能老练且制作本钱较低，铅酸技能已主导商场一个多世纪[1, 16]。本钱低价、制作简略、自放电率低、高放电时功率高，以及在高低温环境下表现出色，是铅酸电池的首要优势[1, 17]. 但是，典型的铅酸电池比能量、能量密度和循环寿数相对较低。此外，铅是一种有毒元素，妥善处理起来或许是一大负担 [16].

与其它电池技能比较，铅酸电池在电动轿车（EVs）中的运用具有共同的优缺陷。铅酸电池的首要优势之一是其资料本钱低，使其在包括电动轿车在内的多种运用中具有经济优势。这种本钱效益是一个重要要素，特别是在预算约束至关重要的商场中[18]。此外，铅酸电池具有高度可回收性，这在环保方面优于或许不具备同等回收水平的其他电池类型[19]. 但是，铅酸电池确实存在显着的缺陷。其能量密度低于许多新型电池技能，例如锂离子电池，这约束了由铅酸体系驱动的电动轿车的续航路程和功率。总归，虽然铅酸电池在本钱低、可回收以及功能记载杰出等方面具有显着优势，但也面对着能量密度和循环寿数方面的应战。在评价其与其它电池技能比较是否合适电动轿车时，有必要仔细考虑这些要素，尤其是在职业向更先进、更高效的储能处理方案转型之际。

2.1.2 镍基电池

镍基电池是除铅酸电池宗族外最老练的电化学储能设备之一。在研讨[20]中，瓦尔德马·容格纳于1899年在瑞典发明晰最早的两种镍基电池（镍铁电池和镍镉电池）。镍在电化学特性和毒性方面优于铅。但是，镍基电池的典型本钱显着高于铅酸电池。

轿车制作商喜爱镍基宗族中的镍氢电池，因其功能、循环寿数和老练技能[21]。镍氢电池的功能优于其他镍基电池和铅酸电池[22]。镍氢电池具有宽广的作业温度规模且环保。丰田普锐斯、Mirai、本田Insight和丰田RAV4L等商用电动轿车和混合动力轿车广泛运用镍氢电池[23–25]。由于功能更优，锂基设备正在取代镍氢电池。

镍基电池的首要优势之一是其微弱的功能特性。它们对过充和过放表现出高耐受性，这显着下降了电动轿车运用中电池毛病的危险[26]. 此外，镍电池在较宽的温度规模内运转作用杰出，进步了其在各种环境条件下的可靠性 [27]. 这种更高的能量密度使得电动轿车的续航路程更长，处理了电动轿车用户的要害顾虑之一。但是，镍基电池也存在一些缺陷。一个显着的约束是其能量密度相对较低，与先进的锂离子电池比较，这或许会约束电动轿车的续航路程和功率 [28]. 此外，虽然镍氢电池的生命周期比铅酸电池更长，但仍然不及某些锂离子技能的寿数，这或许会影响车辆的全体生命周期本钱 [29]. 此外，镍的挖掘和加工对环境的影响也引发了忧虑，由于若办理不当，或许会导致生态退化。总归，虽然根据镍的电池在巩固性、本钱效益和能量密度方面具有许多优势，但也面对着能量密度受限和环境问题等应战。

2.2 当时一代

锂基电池已逾越铅酸电池和镍基电池，成为当时一代的首要关注点。这一点在轿车和便携式范畴尤为显着。锂基电池之所以更优，是由于它们能在更小的体积内供给同等的功率或能量，且无回忆效应、自放电率极低、运用寿数更长[30, 31]。包括特斯拉3、宝马i3和日产聆风在内的很多商用电动轿车和混合动力轿车[23]已广泛选用锂基电池，如表1所示Table 1.

电动轿车中锂电池类型的特性对比 [32–38].

电动轿车车型	电池容量（千瓦时）	电池电压 (V)	能耗 (Wh/英里)	续航路程 (英里)	50 kW 充电时刻 (分钟)
本田e 2020	35.5	—	275	138	40
群众e-Golf	35.8	323	245	144	60
日产聆风	40	350	330	168	60
宝马i3	42.2	352	245	191	50
雷克萨斯UX 300e	54.3	—	270	196	40
特斯拉Model 3	55–82	350	225–265	278–360	40–60
起亚Niro 日产聆风Plus	64	327	255	283	75
日产聆风Plus	64	350	285	239	45
梅赛德斯 EQA	66.5	405	355	263	50
特斯拉Model S	75–100	350	305–310	283–388	60
福特Mustang Mach-E	75.5	450	275	273	60
极星2	78	400	305	292	60
极星 Taycan	79.2	800	335	254	50
群众 ID.4	82	365	290	310	60
捷豹 I-PACE	90	390	354	292	55
奥迪E-Tron	95	400	426	249	60
特斯拉 Model X	100	350	360–365	233–315	60

2.2.1 锂离子电池

电动轿车倾向于运用锂离子电池，由于它们具有杰出的能量密度、安全性和运用寿数。根据有机溶剂的锂离子电池因其本钱效益高和高技能老练度而广受欢迎 [9]。咱们将锂离子电池分为LiNiMnCoO2(LCO)，LiNiMnCoO2(NMC)，和LiNiCoAlO2翻译为中文： (NCA) [39, 40]. 锂离子（NMC）电池类型具有更长的运用寿数和更好的功能，使其十分合适用于轿车。特斯拉广泛运用锂离子（NCA）电池类型。另一种更新且流行的锂离子钛酸锂（LTO）电池类型选用了锂钛氧化物纳米晶体，以完成更大的表面积。

全球锂离子电池商场的价值超过240亿美元，估计从2017年到2024年将增加12%。研讨人员正致力于发现含钴量较低的代替资料，以削减对这一要害资源的依靠。咱们现在将锂离子电池分为高钴、中钴和无钴三类[23]。轿车职业增加了对LiFePO4[磷酸铁锂（LFP）]的选用，因其具有杰出的安全特性、较长的循环寿数和本钱效益，使其成为电动轿车大规模运用的可行挑选[41].

一般，适用于电动轿车的商业化锂离子电池分为三类：圆柱形、棱柱形和软包型[30, 42, 43]. 圆柱形电池的分类选用钢壳封装，特别有利于快速且经济可行的制作。因而，特斯拉在其简直一切初始车型中都优先挑选了圆柱形电池。棱柱形电池由于其立方体形态，在电池热办理方面具有优势。一般来说，较大的表面积有助于电池与冷却介质之间的热交换。因而，群众、丰田、日产等很多制作商广泛运用棱柱形电池。软包电池仍处于实验阶段，由于存在相关的安全顾虑。

2.2.2 锂离子聚合物电池

与干流锂离子电池类似，锂聚合物电池选用聚合物电解质，而非液体电解质。其结构与锂离子电池类似，选用过渡金属氧化物LiCoO2正极（聚合物钴酸锂）。聚合物电解质一般是一种高导电性的半固态凝胶 [41]。锂聚合物电池具有更高的比能量，适用于便携式设备等对分量敏感的运用场景 [44]。锂聚合物电池的作业原理根据锂离子嵌入脱出；与选用刚性外壳的锂离子电池不同，它选用柔性外壳 [45]. 锂聚合物电池中的聚合物基电解质供给了更高的能量和功率，但制作本钱更高[30]. 锂聚合物技能的首要缺陷是其全体制作本钱较高。咱们以为锂聚合物电池是衔接当时电池与未来高功能电池的跨链桥。

锂离子聚合物电池的能量密度、离子电导率、放电容量安稳性以及高倍率功能，是影响其在电动轿车中运用作用的一些要素[46]。此外，锂离子聚合物电池是电动轿车技能的一大进步，由于它们具有高能量密度、杰出的功率分量比，而且经过继续改善有望进步车辆的安全性[47, 48]. 跟着职业不断开展，处理安全问题和环境影响关于电动轿车技能的可继续增加至关重要。先进热办理体系（TMS）的集成以及固态代替方案的探究，或许会在刻画轿车范畴锂聚合物电池的未来方面发挥要害作用。

2.2.3 锂金属电池

锂金属（Li-metal）电池宗族包括多种以金属锂为负极的装备 [49]，但由于其首要不可充电的特性，现在在商业运用和轿车制作商中没有老练 [50]。该宗族中一种广为人知的电池是锂金属（LMO）电池，其选用金属锂作为负极，二氧化锰作为正极，并运用有机溶剂中的锂盐电解质 [50]. 这类电池具有高达3860 mAh/g的比容量，这一点已在硬币式LMO电池中得到验证。它们自放电率低、寿数长、体积小巧且分量轻。但是，它们每千瓦时需求约0.15–0.3 kg的锂，导致制作本钱较高。这些电池适用于起搏器和医疗设备等高价值且要害的便携式运用[51, 52].

锂金属电池因其高能量密度潜力和快速充电才干，正成为电动轿车的有远景技能。这些电池的阳极由锂金属制成，其理论比容量远高于选用石墨阳极的常规锂离子电池。但是，锂金属电池在电动轿车中的实践运用面对许多应战，包括安全问题、枝晶构成以及循环寿数有限等问题[53]. 容量衰减是由于这些电池在仅仅几次充放电循环后就迅速丧失了贮存能量的才干，这使得它们不合适用于电动轿车的长时刻运用 [54]. 在电动轿车中施行有用的电池热办理体系（TMS）有助于调节电池温度，并缓解这些衰减效应 [55]. 为了处理容量损失问题，一种被称为“静置技能”的有远景的办法已被发现。让锂金属电池在放电状态下静置，能够恢复部分损失的容量，并改善其循环寿数 [56]。该技能结合先进的电池办理体系（BMS），能够优化充电形式并削减对电池单元的压力，然后有望延伸其运用寿数[57]。总归，锂金属电池具有分量轻、能量密度高级优势[58]. 但是，它们也存在一些问题，比如容量会随时刻衰减、简单构成枝晶，以及对环境产生负面影响。这些问题需求经过新技能和继续的研讨来处理，以保证它们能够运用于电动轿车。

2.3 未来电池的开发

“未来电池”一词指的是或许运用于未来商用轿车的新兴技能。这些技能包括钠-β、钠离子、金属空气、锂金属（固态）等。咱们估计未来电池终究将在功能上与当时电池相匹配乃至逾越当时电池，供给矿物资源丰厚、环保和本钱效益高级优势。

2.3.1 钠-β电池

钠-β电池，也称为Na-β电池，为固定运用供给了潜在的改善 [59, 60]。由于其丰厚的原资料和在固态和熔融态装备下的高能量密度，Na-β电池宗族被视为下一代电池的一部分 [23, 30]。现在，两种办法已得到有用完成：(i) 钠-金属氯化物 (Na-MCL2) 和 (ii) 钠-硫 (Na-S) [61, 62]. 当考虑在电动轿车中运用钠硫电池时，它具有一套共同的优缺陷。

这是一种硫正极、钠负极和β-氧化铝陶瓷电解质的熔融盐电池 [63]。钠硫电池是可循环的。它具有很高的理论能量密度——是铅酸电池的五倍——且本钱效益高、无毒。此外，钠硫电池具有强大的安全特性，例如电池间填充沙子的安全体系和铝制安全管，这使其更安全并保证符合安全规范 [64].

]. 但是，将钠硫电池用于轿车的一个严重应战是其有限的温度规模。这一特性也或许带来危险，特别是在热办理和安全方面 [64]. 1991年，福特公司经过“Ecostar”电动轿车展示了钠硫电池技能 [65]. 研讨人员正致力于提升室温钠硫电池的功能。但是，室温下导电性下降、反响速率缓慢以及“络绎效应”等应战，均对电池寿数造成了影响[66]. 总归，钠硫电池具有许多长处，包括高功率输出、安全特性、低本钱和更长的循环寿数。但是，在用于电动轿车之前，其较低的能量密度和较高的分量是需求处理的问题。平衡这些要素关于钠硫电池技能在轿车职业的未来开展和运用至关重要。

2.3.2 金属离子电池

钠离子（Na-ion）、锌离子（Zn-ion）和镁离子（Mg-ion）电池均归于金属离子电池，它们是锂离子电池的潜在代替品。与锂离子电池比较，金属离子电池具有许多显着优势，例如资料易获取、生产本钱低、安全性高以及长时刻环保性 [67]。研讨人员估计，跟着锂价继续上涨，钠离子电池将发挥重要作用。由于锂价上涨，钠离子电池——其电荷载体和结构与锂离子电池类似——正变得日益重要 [67]。钠离子电池储能器是一种可充电储能设备，利用钠离子 (⁠⁠Na+) 作为其电荷载体。锂离子电池储能器的作业原理和结构与钠离子电池储能器十分类似，唯一的差异在于运用的是钠而非锂 [67]. 电解质能够是水系或非水系的；但是，水系电解质在电化学安稳性和能量密度方面存在约束性。咱们更倾向于运用含有钠盐的有机溶剂非水系电解质。钠离子电池的能量密度低于锂离子电池，但功能类似[30]. 研讨人员开发了一种钠离子固态电池（SSB），其选用金属钠负极和陶瓷/聚合物电解质 [68].

钠离子电池的优势包括本钱效益、安全性和环保性。此外，钠比锂更丰厚且价格更低，这使得钠离子电池成为大规模运用的经济型挑选。这种丰厚性转化为更低的生产本钱和更小的环境影响，由于钠广泛存在且无毒 [64, 69]。此外，钠离子电池还具有长循环寿数和高倍率充放电功能，这关于电动轿车运用至关重要 [69, 70]. 但是，钠离子电池也面对着显着的劣势。钠离子电池的首要缺陷之一是其能量密度低于锂离子电池 [71]. 钠离子电池在保持低温功能方面面对应战，影响其在冰冷气候下的功率和可靠性。退化机制和电极资料的差异是造成这一约束性的原因 [64]. 总而言之，钠离子电池在本钱和环境影响方面相较于锂离子电池具有许多优势，但也并非没有应战。较低的能量密度和低温功能问题约束了其在高功能电动轿车中的运用。但是，继续的研讨与开发正致力于克服这些约束，电极资料和电池规划方面的进步为未来带来了希望。跟着对可继续且经济高效的储能处理方案需求的增加，钠离子电池有望在电动轿车商场中与其他技能构成互补。

2.3.3 金属空气电池

金属空气（M-air）电池类别包括锌空气（Zn-air）、铝空气（Al-air）、铁空气（Fe-air）、镁空气（Mg-air）和钙空气（Ca-air）电池，以及锂空气（Li-air）电池[72, 73]。虽然是研讨的焦点，但锌空气电池因其高能量密度和安稳的动力学特性而具有广阔远景。锌空气电池具有350 Wh/kg的高理论能量密度，且在可重复充电的模型中具有安稳的动力学特性[74, 75]。此外，锌的丰厚储量和安全性使其成为经济实惠、用户友好且环保的电池处理方案的可行挑选。许多顶级轿车制作商已开始研讨锌空气电池，并将其运用于梅赛德斯-奔驰MB410和通用-欧宝Corsa Combo等车型 [23]. 锌空气电池的一个首要优势是其高比能量，超过200 Wh/kg。这使得它们适用于需求长续航储能的运用，例如电动轿车[EVs76]. 锌空气电池所运用的资料，尤其是锌，储量丰厚且价格低价，因而其生产本钱低于锂离子电池 [74]. 此外，由于运用了无毒资料，其对环境的影响也较小 [76]. 但是，这种电池也存在缺陷。充电进程中锌枝晶的构成或许导致短路和电池寿数缩短，这对锌空气电池的耐用性和可靠性构成了应战 [77]. 锌钝化和空气电极腐蚀会缩短锌空气电池的循环寿数，由于它们会跟着时刻的推移使其功能下降 [76]. 总而言之，锌空气电池在能量密度、本钱和可继续性方面具有显着优势，使其成为电动轿车极具吸引力的挑选。但是，有必要处理基础设施和实践功能方面的应战，才干充沛完成其在轿车商场的潜力。

锂-空气（Li-O2⁠) 电池可分为四大类：固态、水系、混合水系/非水系和非水系。非水系锂-氧电池具有高理论能量密度，可与汽油作为动力相竞争 [₂23]。水系（Li-O2⁠）版本具有高燃烧危险，但分化电压较低。各种尽力旨在进步混合（Li-O2⁠）电池的功率和寿数，要点在于电极保护。多年来所做的大量基础作业关于推动可充电（Li-O2⁠）电池的商业化至关重要[30]. 锂空气电池的一个首要优势是其理论能量密度高达3500 Wh/kg，这显着高于锂离子电池[77]. 这种高能量密度可与燃料电池比美，使其成为需求长续航才干的电动轿车的有力候选者。此外，利用空气中的氧气作为反响物，削减了对粗笨且贵重资料的需求，有望下降电池体系的全体本钱 [77]. 此外，由于锂空气电池运用丰厚且无毒的资料，因而被以为具有环保性，这与可继续储能体系（ESSs）的方针相符合 [77]. 但是，锂空气电池中含氧物质的高反响性或许会带来负面影响，由于它会导致严重的不安稳性以及会损坏锂阳极和电解质的副反响 [78]. 这导致电池的可充电性较差，并约束了电池的运用寿数。此外，锂空气电池的规划和工程需求先进的资料以及对阳极、阴极和电解质等电池组件的精确控制，以完成高功能和安稳性 [79]. 这种复杂性会增加制作本钱，并进步商业化的技能门槛。锂空气电池具有能量密度高、续航潜力大、规划轻量化等显着优势。但是，它也存在电子导电性差、循环寿数短、生产本钱高级首要问题。处理这些问题关于在电动轿车商场充沛发挥锂空气电池的潜力至关重要。这将为电池技能的改善铺平道路，有望使锂离子体系被淘汰。

2.3.4 固态电池

锂金属系固态电池是先进电动轿车的要害研讨要点。这些电池包括锂金属阳极、层状氧化物阴极和固态电解质。锂金属系固态电池是先进电动轿车的要害研讨要点。这些电池包括锂金属阳极、层状氧化物阴极和固态电解质 [80]。由于其潜力，轿车制作商高度喜爱锂硫（Li-S）和锂空气（Li-O₂) 电池。具有固态电解质的锂硫电池是未来储能的有远景的候选者。研讨人员因其更高的能量密度、更好的安全性、更宽的温度规模和更低的制作本钱而对其远景充满信心 [80]。但是，根据硫的正极电子导电性差，阻碍了其商业化运用 [80]。锂负极的钝化导致自放电率更高和容量衰减更快 [81].

锂硫电池的首要优势在于其理论能量密度高达2600 Wh/kg，显着高于锂离子电池，这有助于提升电动轿车的续航路程 [82]。此外，硫储量丰厚、价格低价且环境友好，使锂硫电池成为电动轿车等大规模运用的经济型挑选 [83]。充放电循环进程中显着的体积变化会导致机械不安稳和循环寿数缩短，历史上约束了其在电动轿车中的实践运用 [84]. 总而言之，虽然锂硫电池在能量密度、本钱效益和环境影响方面具有显着优势，但其现在在循环寿数和功能安稳性方面的约束性构成了有必要克服的应战，才干成为电动轿车的干流挑选。

固态电解质（SSEs）和新型阳极资料的最新开展关于改善电池技能至关重要，特别是在锂基体系中。这些打破旨在进步能量密度、安全性和全体功能，一起处理离子电导率和界面安稳性等要害问题。SSEs的新开展，例如经过纳米结构技能制作的纳米结构固态电解质，使其愈加安稳且具有杰出的离子传导性，这对固态电池（SSBs）至关重要[85]. 传统电解质不如混合电解质灵敏或导电，混合电解质由无机和聚合物资料组成 [86]. 在全固态锂金属电池中运用锂金属作为阳极，使其能量密度更高，但也存在一些问题，例如枝晶的构成 [87]. 虽然取得了这些开展，电池技能仍面对严重机会，但制作本钱和长时刻安稳性等应战仍是需求继续研讨和立异的要害障碍。

SSE（固态电解质）的首要优势之一是安全性提升。这些电解质的固态特性下降了走漏和起火的危险，而走漏和起火是传统运用液态电解质的锂离子电池所面对的要害问题 [88]。另一种固态电池（SSB）的充电速度比传统电池更快，这削减了用户的停机时刻，并提升了电动轿车的全体便利性 [88]。此外，它们能在从-55°C到74°C的宽温规模内有用运转，这增强了其在各种环境条件下的适用性 [85]. 另一方面，与传统液态电解质体系比较，固态电池能量密度较低，这或许会使其变得不那么实用，由于它约束了其可贮存的能量 [89]. 此外，这一约束性或许会影响固态电池在高需求场景下的功率和可靠性。总而言之，固态电解质在安全性、充电速度和运转通用性方面具有显着优势，但也面对着能量密度和离子电导率方面的应战。但是，为了充沛完成其在电动轿车中的潜力，咱们有必要处理其开展老练度问题。