电池革命:固态电池量产还有多远?

陈老师
陈老师 2022-1-22 19:07
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文 | 脑极体

电池的发展已经走过快两百年的历史,如今锂离子电池是最为出众的二次储能电池。高工作电压、快速充放电特性、长循环寿命、无记忆效应等众多优点,让它成为当今数码产品及电动汽车大规模应用的第一选择。

虽然锂离子电池的性能优秀,但发展也有其难以跨越的挑战与障碍:电池的结构特性局限了电池的性能。现有的电池结构是电池衰老和存在安全隐患的根本原因。

电池发电的原理是两个电极材料在电解液中相互交换离子,但是因为这个结构也会使得其反应界面一直存在,电池就处于一直在工作的状态,造成容易衰老的局面并且也有安全隐患。

举例来说,电动汽车在冬天趴窝就是因为电池在低温情境下,性能失效的缘故。材料科学家和电池工程师在电池材料上提出了许多办法。例如在电解液当中掺入大量有机溶剂,来降低电解液的凝固温度。然而这样却造成电解液更加易燃,牺牲了电池的安全性。

也有科学家尝试更换电极材料,但是电池的能量提升了,却无法抵抗热失控;快充的话,又会导致电池界面的火性太高,也无法保障其安全性。从优化电池管理的系统思路上解决,却带来了能量密度的下降与单位成本的增加。

想要让电池低温高活性与高温稳定性的需求矛盾无解,似乎电池也有鱼和熊掌不能兼得的障碍,能量密度、安全、快速充电等要素不能完美的全部集成在电池身上。如果这些问题得到解决,新能源汽车的规模发展将革新重塑汽车百年的行业。

因此动力电池的终极发展目标也向着安全、能量密度高、循环性能好、充电速度快等优点兼容前行。

固态电池作为新的锂电池终结者方向,正在成为新能源汽车干掉燃油车的杀手锏。

新能源车什么时候可以取代燃油车,在动力电池领域市场公认一个答案是:现有电动车的电池系统能量密度翻一倍,从普遍的 160wh/kg 到 400wh/kg。而解决电池的能量密度问题,方案一定是动力电池的革新。

我们知道现在电动车市场主流的动力电池是三元锂电池与硫酸铁锂电池,如果按照电解质的物理状态分类的话,这两种电池都是典型的液态电池。如果想要消灭里程焦虑,革新新能源汽车市场,固态电池性能表征就是动力电池发展的目标。固态电池,也被称为未来锂电池的发展新方向。

动力电池领域流行的选择三元锂与硫酸铁锂并不是完美的选择。三元锂电池,能量密度高,但耐高温性能差,磷酸铁锂电池,安全性高,但能量密度上限低。液态锂离子电池总体存在电解液氧化、电极膨胀、高温失控等安全隐患,只能牺牲能量密度来换取稳定性。而固态电池可以兼容两者的短板:既可以满足能量密度的需求,也可以兼顾安全。

固态电池,因为采用固态物质作为电解质,没有持续的反应界面,副产物不会溶解在界面里,所以它会有更好的稳定性和循环特性。同时液态电解质面临的干涸和泄露问题也不会存在。这使得固态电池在安全性与寿命周期方面具有远超三元锂电池与磷酸铁锂的优势。

此外,固态电池还具有耐高温、无腐蚀、体积小、能量密度大的特性,规避了传统液态锂电池的主要弱点。据介绍,一辆固态汽车的续航里程可达 1000 公里,充电只需要 10 分钟,随着时间的推移,固态电池劣化也会较少。

全固态电池使用固体电解质相对来说更安全、性能更优,而传统的液态锂离子电池逐渐不能满足先进技术的标准:既能提升续航里程,也更加安全。因此全固态电池成为动力电池界的发展新热潮。

2020年11月,国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划(2021~2035年)》明确要求,加快固态动力电池技术研发及产业化。据预测,到2030年,全球固态电池市场将超过60亿美元(约合人民币383亿元),中国市场的占比将超过50%。

固态电池在实验室中的良好性能指标意味着丰厚的商业价值,这也成为企业加速布局,抢占技术制高点的动力。国内外企业机构等对于动力电池的研发与量产日程都提上了议程。

丰田在动力电池的布局也是较早,丰田的车规级固态电池拥有超过1000项专利,位居全球前列,而且大多是含金量较高的发明专利。在CES2022上,丰田首席科学家兼丰田研究所所长吉尔·普拉特(GillPratt)重申,第一辆采用固态电池技术的丰田汽车将在2025年前后到来。

大众汽车集团零部件公司首席技术官Thomas Schmall在去年接受采访时表示,大众汽车对开发新一代固态电池寄予厚望,公司希望在2025年形成完整的固态电池销售模式,向市场供应固态电池,并计划到2030年在欧洲建立6家大型电池工厂,总年产能达到240GWh。

宝马集团发布规划,称计划在2030年前实现量产;LG能源也正在开发全固态电池,预计2026年实现量产。

国内固态电池发展的情形,也是如火如荼,技术路线则是全固体与半固体参半。电池界大佬宁德时代此前公开过两种与固态电池相关的专利,并在去年5月份宣称,已经可以做出固态电池的样品,但是距离实现商业化还有很远的路要走,预计到2030年才会面向市场推出。上汽集团在去年6月发布消息,称2025年将推出高安全性、高能量密度、面向商业应用的固态锂电池。

折中选择瞄准半固态研发的玩家则有卫蓝新能源、清陶发展、国轩高科、赣锋锂电等,虽然他们也有全固态电池的生产线,但已量产的全固态电池主要应用在消费电子、特种电源等领域。已下线的用在新能源汽车上的半固态电池,目前处在验证测试阶段。

蔚来此前宣传搭载固态电池,让业内沸腾。上市后,这款所谓的固态电池也呈现最终的真面容,并不是行业内期盼翘首等待的全固态电池,蔚来李斌玩了个商业化的包装术语,搭载ET7轿车的电池包其实是半固态电池。但噱头引起的关注与讨论,也让蔚来的新车出尽了风头,续航超过1000km的电池让人们看到了固态电池的潜力。

无论是车企定下的时间表,还是业界研究学者与专家给出的量产时间,都指向了2025与2030,不过目前来说并没有提前的迹象,以现在实际车企测试的结果,还有向2030年继续推迟下去的趋势。我们看到从走出实验室到规模落地还需要一段蛰伏发展的时间,规模量产的实际落地道阻且长。

相较于其他锂离子动力电池,固态电池的技术指标比较优越,但这些数据也是实验室里面的温室指标。在实际量产的过程中,仍然存在许多尚未攻克的瓶颈:

1.固态电池的技术指标仍需完善。固态电解质的离子导电率较低,充电比较慢,固/固界面接触性和稳定性差,电解质对空气敏感等问题。

2.制造工艺复杂,生产工艺不成熟。举例来说,制造固态电池的氧化物和硫化物电解质,属于多孔隙的陶瓷材料,这类材料的特点就是脆,想要加工成很薄的电解质很困难,稍有不慎就会断裂。

3.制造成本偏高。全固态电池的制备工艺复杂,且固体电解质较贵,现阶段全固态电解质锂动力电池的成本较高。

4.产业链尚不完整,难以大规模生产。现阶段的固态电池多是实验室中的温室产品,实际落地经过测试的电池屈指可数,以现有的工艺水平和设备能力,成品的良率也无法保障,更不用说大规模的量产上市。

这些现实瓶颈的解决并不是那么容易。深耕研发固态电池长达数年之久的Fisker,这家美国车企在去年年初表示放弃研发全固态电池,这个决定也意味着多年研究固态电池的努力都打水漂。锂电池独角兽企业麻省固能(SES)也放弃了全固态电池技术研发,选择固液混合的半固态电池路线。最后的攻坚阶段,这些固态电池中的老玩家选择放弃,也在一定程度上说明固态电池最后的研发冲刺阶段比已经完成的90%的里程都要艰难险阻。

总之,对于固态电池来说,无论是技术指标上的能量密度、循环寿命、安全、成本等要素,缺少哪一个,都是规模商业化路途的拦路虎。

无论企业是仍然坚持全固态电池路线,还是折中选择半固态路线,固态电池的技术路线都存在不确定性。行业内的主流观点认为,半固态电池或许能够在2025年左右实现大规模量产,但全固态电池完全实现商业化至少还要10年的时间。十年的时间线发展,固态电池最终到底是不是动力电池的终极路线,也没人能百分百确定。

工业产品从研发到验证与落地,没有个十年的时间打底是走不出来的。固态电池从材料到结构再到制造技术仍然处在探索的过程之中。作为新兴的动力电池选择,也需要时间来沉淀与酝酿。如此这般,才能为新能源汽车的里程长久续航,颠覆革新汽车的百年行业,也为绿色出行的生态建设添砖加瓦。

来源:钛媒体APP

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