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未来全固态电池，真的不需要冷却吗？

2019-04-04 23:40:56·  来源：锂电联盟会长  
　
锂离子电池，通过一定数量串并组合，装配在汽车上，成为动力电源的那一刻，高成本、大体积、高质量、温度适应敏感、热失控安全等问题，就一直困扰着我们。而全固
锂离子电池，通过一定数量串并组合，装配在汽车上，成为动力电源的那一刻，高成本、大体积、高质量、温度适应敏感、热失控安全等问题，就一直困扰着我们。
 
而全固态电池由于能提供更好的安全、更大的容量、更快的充电，被公认是下一代电池技术路线的发展方向，也成了各大电池产业上下游企业的必争之地：
韩国的三大电池巨头联手；日本23家车企、电池、材料公司、科研院校单位联合；欧美国家相继发布研发规划；德国大众豪掷1亿美元投资电池技术公司——他们纷纷瞄准并积极布局固态电池，并且加速核心技术攻克走向商业化，都是想在未来动力电池市场竟争中抢得先机。
 
丰田提出全固态电池不需要冷却
 
前期，丰田在各种不同场合，多次阐述其研发的全固态电池特点，除了重要的高安全特性，还解决和满足了长续驶里程需求，快充电特性，同时，还不需要冷却，体积可以缩减一半。(下图为目前应用典型的电池系统冷却板体积)
在早期，丰田执行副总裁勒罗伊(Didier Leroy)这样描述，丰田在固态电池技术的知识产权方面处于领先地位，可以让电池更安全，体积变的更小。
 
让我们掀开全固态电池关键指标一角，探究一下这些特点的生成原因。
 
全固态电池耐热特性、低温特性、倍率特性突出
 
来自Kentaro YOSHIDA and Keizo HARADA “All-Solid-State Lithium Batteries with Wide Operating Temperature RangeMitsuyasu”对基于硫化物全固态电池做的几项测试(主要针对小容量电池的测试)：
高温耐受性测试：从下图示，电池在高温170℃规定的充放电(The test conditions were a constant current of 0.3 mA charge/discharge, charged to 0.3 mAh, and discharged to 3.0 V)、循环条件下，可以观察到，容量在高温下，非常稳定，变化很小，也就是说，副反应并没有显著的增加。
低温耐受性测试：从下图示，电池在低温-40℃规定的充放电(The test conditions were a constant current of 0.02 mA, charged to 0.02 mAh, and discharged to 3.0 V)、循环(试验条件为恒流0.02 mA，充至0.02 mAh，放电至3.0 V)条件下，可以观察到，容量因低温影响，也是非常小的，仍然有很稳定的放出和充入。
放电倍率特性：如下图示，常温下，在24C高倍率下放电，容量为低速率0.5C下的89%，说明该电池具有优良的功率特性。
上述测试条件，相比现在的商业化动力电池确实还有很大的局限性和差距，但是固态电池从娘胎里带来的优点还是非常明显的，在如此高的温度条件，表现如此稳定，安全性可见一斑。
对于一般液态电解质电池，其策略保护，高温>50℃进入报警状态;70℃进入热失控风险区。低温环境， <0℃限制充电电流。电池在很窄的15～45℃范围内才能稳定的工作。同时，为了保证电池系统的寿命，温差范围要求控制在 <5℃。
全固态电池大大降低了对冷却系统的依赖
有资料显示，全固态电池耐热性在(80～120℃)、阻燃性(200℃)，均远远高于现有应用的液态电解质的锂离子电池。这主要与电解质形态和结构有直接的关系。
全固态电池使用的固体电解质，是区别于液态有机电机解质的主要特征材料，现在主要研究的有两种类型，氧化物和硫化物。目前包括丰田的全固态电池，主要是基于硫化物类型全固态电池研究。
早在日本Nissan leaf EV车上，一直延续着没有冷却板，依靠电池壳体自然冷却产品设计。
对于EV电池系统，主要满足较低倍率的充放电功率需求，在冷却方面对热管理表现的没有功率型的HEV明显。但是在低温环境，环境适应性是得不到满足的。所以说，对于全温度的工况需求，更多的增加了水冷板式的热管理系统。
这本身也是矛盾的。现有庞大的水冷系统，从成本角度，体积方面，都是不利的。
全固态电池耐热性温度范围放大，安全性得到了保障。削弱了对水冷系统的依赖性。契合了解决成本和体积矛盾的想法。
尽管全固态电池如此诱人，但是，还不能停止现有热管理技术的发展的脚步。
丰田表示，其全固态电池仍需10年的发展才能成熟。
全固态电池要想全面大批量投入生产和应用，还需要很长的一段时间。
丰田表示：“我们将小批量的试产开始，用于试点项目，我们永远不会在客户身上做实验。2030年，可能是更现实的时间节点”。下图是丰田技术路线规划表。
热管理高效和节能，需要继续探索和研究
从Tesla车型演变案例观察分析：
Tesla 产品，一直以来引起地球人足够的好奇。其设计的精妙也确实堪称典范。正如Elon Musk 对团队的管理和要求一样，在他们眼里“没有做不到的事情”。
在热管理功能单元组合中，透过产品的演变状态，可以看出一些端倪。
关于电池加热形式的变化，由PTC加热改变为利用电机接通电流零扭矩加热，其技术优缺点有待于后期进一步研究分析，现在还不能量化和说清楚。
其中一点是肯定的，提高热系统效能的同时，一定是做到了降本。是双赢的结果。这种“没有做不到”的创新精神，值得学习。 
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