電池技術(shù)深析：半固態(tài)電池與 NMC三元鋰電池的多維解讀

　　在當下的電池技術(shù)領(lǐng)域，半固態(tài)電池與三元鋰電池無(wú)疑是兩顆備受矚目的 “明星”，被眾多終端設備制造商列為熱門(mén)之選。這兩款電池看似都服務(wù)于同一目標 —— 為設備提供動(dòng)力，實(shí)則在諸多關(guān)鍵維度上大相徑庭。那么，究竟是哪些內在因素，塑造了它們各自的特性，讓彼此走向不同的技術(shù)與應用路徑呢?接下來(lái)，格瑞普小編將從多個(gè)核心維度深入剖析，引領(lǐng)大家穿透表象，深度洞察半固態(tài)電池與三元鋰電池本質(zhì)差異。

　　一、什么是半固態(tài)電池與三元鋰電池

　　半固態(tài)電池

　　定義：半固態(tài)電池是一種介于傳統液態(tài)電池和全固態(tài)電池之間的電池技術(shù)。它的電極材料部分或全部采用固態(tài)形式，而電解質(zhì)則是固態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)電解質(zhì)混合的體系，或者是含有一定量液態(tài)電解質(zhì)的凝膠態(tài)物質(zhì)。

　　結構特點(diǎn)：半固態(tài)電池的結構與傳統液態(tài)電池類(lèi)似，但在電極和電解質(zhì)的組成及分布上有所不同。其電極通常采用高鎳多元材料、富鋰錳基材料等作為正極，碳硅負極等作為負極，以提高電池的能量密度和充放電性能。電解質(zhì)方面，既包含具有高離子電導率和良好穩定性的固態(tài)電解質(zhì)，如氧化物、硫化物等，又含有少量液態(tài)電解質(zhì)，以改善離子傳輸效率。

　　三元鋰電池

　　定義：三元鋰電池，其陰極成分包含鎳、錳和 鈷的鋰離子電池。

　　結構特點(diǎn)：三元鋰電池一般采用疊片軟包電池工藝，具有較高的能量密度和較好的充放電性能。其正極材料為三元材料，負極材料常采用石墨或硅碳負極等，以提高電池的容量和充放電效率。

　　二、半固態(tài)電池與 三元鋰電池的循環(huán)壽命有哪些不同?

　　●循環(huán)壽命數值范圍差異：

　　半固態(tài)電芯循環(huán)壽命最高可達2000次以上，能量密度可達 280~350Wh/kg，循環(huán)壽命也有進(jìn)一步提升10%。

　　NMC三元鋰電池一般循環(huán)壽命在1000次左右，1000次循環(huán)后容保率超 80%。

　　●影響循環(huán)壽命的因素不同：

　　半固態(tài)電池：其采用半固態(tài)電解質(zhì)，電極與電解質(zhì)間的接觸更加穩定，在充放電過(guò)程中，能夠減少電極材料的脫落和副反應的發(fā)生，從而延長(cháng)循環(huán)壽命。并且，半固態(tài)電解質(zhì)本身的化學(xué)穩定性和熱穩定性較好，不易在循環(huán)過(guò)程中發(fā)生分解、變質(zhì)等問(wèn)題，進(jìn)一步提高了電池的循環(huán)性能。

　　三元鋰電池：作為傳統液態(tài)鋰離子電池，液態(tài)電解液在長(cháng)期循環(huán)過(guò)程中會(huì )不斷地與電極材料發(fā)生反應，導致電極材料結構的破壞和性能的衰減。同時(shí)，三元材料中鎳含量較高，在充放電過(guò)程中，高鎳正極材料容易發(fā)生結構變化，如從層狀結構向尖晶石結構轉變，導致材料的電化學(xué)性能下降，進(jìn)而影響電池的循環(huán)壽命。

　　●循環(huán)壽命對實(shí)際應用的影響不同：

　　半固態(tài)電池：較長(cháng)的循環(huán)壽命使其更適合于對電池壽命要求較高的應用場(chǎng)景，如低空經(jīng)濟（無(wú)人機）、電動(dòng)汽車(chē)、儲能電站等。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，長(cháng)循環(huán)壽命意味著(zhù)電池在車(chē)輛的整個(gè)使用壽命內，能夠保持較好的性能，減少因電池性能衰減而導致的續航里程下降和更換電池的頻率，降低了用戶(hù)的使用成本。

　　三元鋰電池：雖然其循環(huán)壽命相對較短，但在一些對成本較為敏感、對電池壽命要求不是特別苛刻的應用場(chǎng)景中，仍具有一定的優(yōu)勢。例如，一些消費電子產(chǎn)品，其使用周期相對較短，通常在幾年內就會(huì )被更新?lián)Q代，因此 三元鋰電池夠滿(mǎn)足其在使用期間的性能要求，同時(shí)其相對較低的成本也使得產(chǎn)品更具市場(chǎng)競爭力 。

　　三、為什么半固態(tài)電池的安全性通常比三元鋰電池高?

　　●熱穩定性

　　半固態(tài)電池：半固態(tài)電池采用了固態(tài)電解質(zhì)或固態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)電解質(zhì)混合的體系，固態(tài)電解質(zhì)具有較高的熱穩定性，不易揮發(fā)、不易燃燒，在高溫環(huán)境下能夠保持較好的性能，降低了熱失控的風(fēng)險。例如，某電池的半固態(tài)電池產(chǎn)品采用原位固化技術(shù)構建的聚合物框架，即便在熱箱測試等高溫條件下，也表現出良好的安全性，不著(zhù)火、不爆炸。

　　三元鋰電池：三元鋰電池使用的是液態(tài)電解液，其熱穩定性相對較差，在高溫環(huán)境下容易發(fā)生分解、揮發(fā)等反應，產(chǎn)生大量的熱量和氣體，從而增加了電池熱失控的可能性，進(jìn)而引發(fā)起火、爆炸等安全事故。

　　●抑制鋰枝晶生長(cháng)

　　半固態(tài)電池：固態(tài)電解質(zhì)具有一定的力學(xué)強度，可以有效抑制鋰枝晶的生長(cháng)和穿透。鋰枝晶是導致電池內部短路的主要原因之一，半固態(tài)電池通過(guò)抑制鋰枝晶的生長(cháng)，降低了電池內部短路的風(fēng)險，提高了電池的安全性 。如清陶能源等企業(yè)研發(fā)的半固態(tài)電池，其固態(tài)電解質(zhì)能夠阻止鋰枝晶的形成，從而保障電池的安全運行。

　　三元鋰電池：在充放電過(guò)程中，三元鋰電池內部的鋰離子容易在負極表面形成鋰枝晶，當鋰枝晶生長(cháng)到一定程度時(shí)，會(huì )刺穿隔膜，導致正負極短路，引發(fā)熱失控等安全問(wèn)題。

　　●過(guò)充耐受性

　　半固態(tài)電池：部分半固態(tài)電池具備較好的過(guò)充耐受性。固態(tài)電解質(zhì)的使用可以在一定程度上阻止電池在過(guò)充時(shí)發(fā)生過(guò)度的氧化還原反應，從而減少了因過(guò)充導致的電池鼓包、起火等安全隱患。

　　三元鋰電池：三元鋰電池在過(guò)充時(shí)，由于液態(tài)電解液的存在，更容易發(fā)生劇烈的化學(xué)反應，產(chǎn)生大量的熱量和氣體，導致電池內部壓力急劇上升，增加了電池爆炸的風(fēng)險。

　　●抗擠壓和抗穿刺性能

　　半固態(tài)電池：一些半固態(tài)電池由于其內部結構和材料的特性，具有較好的抗擠壓和抗穿刺性能。例如，比克電池的半固態(tài)電池在針刺測試中表現出優(yōu)異的安全性，產(chǎn)品不會(huì )著(zhù)火、爆炸及漏液，這對于防止電池在受到外力沖擊時(shí)發(fā)生安全事故具有重要意義。

　　三元鋰電池：液態(tài)電池在受到擠壓或穿刺時(shí)，容易導致電池內部的隔膜破裂、正負極接觸，從而引發(fā)短路和熱失控等問(wèn)題。

　　四、影響半固態(tài)電池安全性的因素

　　●電解質(zhì)體系

　　固態(tài)電解質(zhì)含量與性能：固態(tài)電解質(zhì)的含量對電池安全性至關(guān)重要。含量過(guò)低，無(wú)法有效阻隔正負極，易引發(fā)短路等問(wèn)題;而含量過(guò)高，可能會(huì )影響離子傳輸效率，進(jìn)而降低電池性能。此外，固態(tài)電解質(zhì)本身的離子電導率、熱穩定性等性能也直接影響電池的安全性。例如，一些具有高離子電導率和良好熱穩定性的固態(tài)電解質(zhì)，如氧化物固態(tài)電解質(zhì)，可以在保證電池正常充放電的同時(shí)，提高電池在高溫環(huán)境下的安全性。

　　液態(tài)電解質(zhì)的殘留量：半固態(tài)電池中液態(tài)電解質(zhì)的殘留量雖較傳統液態(tài)電池有所減少，但仍需嚴格控制。殘留的液態(tài)電解質(zhì)若在電池使用過(guò)程中發(fā)生泄漏，可能會(huì )引發(fā)短路、腐蝕等問(wèn)題，降低電池的安全性。同時(shí)，液態(tài)電解質(zhì)在高溫、過(guò)充等極端條件下容易分解產(chǎn)生氣體，導致電池內部壓力增大，增加爆炸的風(fēng)險。

　　●電極材料

　　正極材料：正極材料的穩定性和安全性對電池整體安全性影響顯著(zhù)。例如，高鎳正極材料能量密度高，但在高溫、過(guò)充等情況下容易發(fā)生結構變化和熱分解反應，釋放出氧氣，從而增加電池起火、爆炸的風(fēng)險。因此，對高鎳正極材料進(jìn)行改性或包覆處理，提高其熱穩定性和結構穩定性，對于半固態(tài)電池的安全性至關(guān)重要。

　　負極材料：負極材料的選擇也會(huì )影響半固態(tài)電池的安全性。如采用硅基負極材料時(shí)，由于硅在充放電過(guò)程中體積膨脹較大，可能會(huì )導致電極材料的粉化和脫落，進(jìn)而影響電池的循環(huán)性能和安全性。此外，鋰金屬負極雖然具有很高的理論比容量，但在實(shí)際應用中容易形成鋰枝晶，刺穿隔膜或固態(tài)電解質(zhì)，造成電池內部短路。

　　●電池的制造工藝

　　電解質(zhì)與電極的界面相容性：在制造過(guò)程中，需要確保固態(tài)電解質(zhì)與正負極材料之間具有良好的界面相容性，以保證離子能夠在界面處順利傳輸。如果界面相容性差，會(huì )導致界面電阻增大，電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，影響電池的安全性和使用壽命。

　　電池的封裝工藝：電池的封裝質(zhì)量直接關(guān)系到電池的密封性和安全性。良好的封裝工藝可以防止外界水分、氧氣等進(jìn)入電池內部，避免對電極材料和電解質(zhì)造成腐蝕和破壞。同時(shí)，封裝還需具備一定的機械強度，能夠承受電池在使用過(guò)程中可能遇到的擠壓、碰撞等外力，防止電池內部結構損壞，引發(fā)安全事故。

　　●電池管理系統

　　過(guò)充過(guò)放保護：電池管理系統中的過(guò)充過(guò)放保護功能對于半固態(tài)電池的安全性至關(guān)重要。在充電過(guò)程中，若電池過(guò)充，會(huì )導致電池內部發(fā)生不可逆的化學(xué)反應，產(chǎn)生大量熱量和氣體，使電池溫度和壓力急劇上升，從而引發(fā)安全問(wèn)題。因此，有效的過(guò)充保護機制可以及時(shí)切斷充電電路，防止電池過(guò)充。

　　熱管理：半固態(tài)電池在充放電過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生熱量，若不能及時(shí)有效地散熱，會(huì )導致電池溫度過(guò)高，影響電池的性能和安全性。電池管理系統中的熱管理模塊可以通過(guò)散熱風(fēng)扇、冷卻水管等方式對電池進(jìn)行散熱，確保電池在適宜的溫度范圍內工作，提高電池的安全性和使用壽命。

　　●使用環(huán)境和條件

　　溫度：極端的高溫或低溫環(huán)境會(huì )對半固態(tài)電池的安全性產(chǎn)生影響。在高溫環(huán)境下，電池內部的化學(xué)反應速率加快，容易引發(fā)熱失控;而在低溫環(huán)境下，電池的充放電效率降低，電極材料可能受損，影響電池的循環(huán)壽命和安全性。因此，在不同的溫度環(huán)境下使用電池時(shí)，需要采取相應的措施來(lái)保證電池的安全性，如在高溫環(huán)境下加強散熱，在低溫環(huán)境下采用預熱等方式。

　　外力沖擊：半固態(tài)電池在使用過(guò)程中可能會(huì )受到擠壓、碰撞、穿刺等外力沖擊，這些外力可能會(huì )導致電池內部結構損壞，引發(fā)短路、漏液等安全問(wèn)題。因此，在電池的設計和制造過(guò)程中，需要考慮提高電池的抗外力沖擊能力，如采用高強度的外殼材料、優(yōu)化電池內部結構等，以保證電池在受到外力沖擊時(shí)的安全性。

　　五、結論

　　在電池技術(shù)領(lǐng)域，半固態(tài)電池與 三元鋰電池各有優(yōu)勢，能適配不同設備，大家可按需選擇。格瑞普專(zhuān)注可充電電池研發(fā)生產(chǎn) 26 年，精心打造半固態(tài)電池，電壓覆蓋 4S (14.8V) 至 18S (68.4V)，容量達 84Ah 。產(chǎn)品線(xiàn)豐富，適配各類(lèi)應用場(chǎng)景。若有疑問(wèn)或特殊需求，歡迎通過(guò)在線(xiàn)客服、電話(huà)、留言反饋，我們會(huì )盡快聯(lián)系您，竭誠服務(wù)。