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全固態(tài)還很遙遠(yuǎn)? 混合固液的半固態(tài)或是主流趨勢(shì)之一

2021-04-05 18:35  來源:電池中國(guó)  瀏覽:  

固態(tài)電池到底適不適合車用,想必很多人都不會(huì)有所懷疑,在媒體近幾年對(duì)全固態(tài)電池高能量密度、高安全鋪天蓋地的報(bào)道下,固態(tài)電池儼然已經(jīng)成為車用動(dòng)力的終極選擇。

然而,研究越深,越發(fā)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)應(yīng)用并沒有那么容易。很多專業(yè)人士預(yù)判,全固態(tài)電池可能要10年后才具備完全商業(yè)化條件,甚至更遠(yuǎn)。近日,浙江鋒鋰新能源科技有限公司(下稱“鋒鋰新能源”)總經(jīng)理許曉雄更是直言:個(gè)人認(rèn)為,混合固液(半固態(tài)電池)可能是車用動(dòng)力電池的終極路線。

許曉雄解釋稱,對(duì)于電動(dòng)汽車來說,全固態(tài)不一定能用得上,這里面還有很多問題,比如低溫性能、成本、規(guī)?;慨a(chǎn)的裝備突破等,目前來看這些點(diǎn)要突破還是挺艱難的,這也是為什么豐田汽車一而再再而三地推遲全固態(tài)電池車示范應(yīng)用的原因。

據(jù)悉,豐田汽車計(jì)劃在今年的奧運(yùn)會(huì)期間,推出固態(tài)電池示范車,由于還未公布,所以還不確定其固態(tài)電池車配套用的電池到底是全固態(tài),還是半固態(tài)電池。

值得注意的是,鋒鋰新能源是國(guó)內(nèi)最早涉足固態(tài)電池研發(fā)的企業(yè)之一,是贛鋒鋰業(yè)旗下專門研究固態(tài)電池的企業(yè)。許曉雄本人在固態(tài)電池領(lǐng)域的研究已經(jīng)接近二十年,在博士期間就開始研究鋰離子導(dǎo)體固態(tài)電解質(zhì),在日本留學(xué)期間研究方向是硫化物固態(tài)電解質(zhì)與相關(guān)固態(tài)電池技術(shù)研發(fā),后來還在日本NIMS-豐田汽車聯(lián)合研發(fā)中心,以及中科院寧波材料所參與固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)工作。結(jié)合其在這一領(lǐng)域的多年研究,其觀點(diǎn)可以說具有一定的代表性。

事實(shí)上,固態(tài)電池自2020年以來特別的火。2020年11月借殼上市的美國(guó)固態(tài)電池企業(yè)Quantum Scape(簡(jiǎn)稱QS),上市后在很短時(shí)間內(nèi)就創(chuàng)造了市值超過1000億元人民幣的奇跡,而其銷售額卻是0。其股價(jià)最高時(shí),市值一度超過3000億元人民幣,也被股民稱為電池領(lǐng)域的一支妖股。從這也足可見固態(tài)電池有多火。

當(dāng)然,QS市值高企的背后,除了其可能是最接近量產(chǎn)的固態(tài)電池創(chuàng)新企業(yè)外,還有大眾汽車、上汽集團(tuán)、大陸集團(tuán)和比爾·蓋茨等優(yōu)質(zhì)資本的支持,這些大資本為其背書,也可看到業(yè)界對(duì)于固態(tài)電池的渴求和重視。

除了QS,近兩年國(guó)內(nèi)固態(tài)電池也被頻頻熱炒,包括輝能科技、清陶能源等幾家企業(yè)都透露已經(jīng)具備固態(tài)電池生產(chǎn)能力,在能量密度、安全性上有一定優(yōu)勢(shì)。

01 真正的全固態(tài)電池還有漫長(zhǎng)的路

在許曉雄看來,全固態(tài)鋰電池,應(yīng)該是一種使用固體電極及固體電解質(zhì)隔膜材料,不含有任何液體的鋰二次電池。分類上主要包括全固態(tài)鋰離子二次電池和全固態(tài)金屬鋰二次電池,兩者的差別在于前者負(fù)極不含金屬鋰,后者負(fù)極為含鋰材料。

許曉雄認(rèn)為,目前市面上出現(xiàn)的凝膠電解質(zhì)鋰電池,電芯中液態(tài)電解質(zhì)以凝膠態(tài)存在,電芯中不含固體電解質(zhì),應(yīng)該屬于液態(tài)鋰離子電池范疇,跟固態(tài)鋰電池?zé)o關(guān)。

事實(shí)上,固態(tài)電池核心技術(shù)難點(diǎn)在于電解質(zhì)。而根據(jù)電解質(zhì)的不同,目前科學(xué)界又將固態(tài)電池按電解質(zhì)分為三種類型:聚合物、硫化物和氧化物?;诓煌夹g(shù)體系的固態(tài)電解質(zhì)材料,各具優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

其中,氧化物材料的柔韌性比較差,界面接觸較差,會(huì)導(dǎo)致界面阻抗增加;聚合物則存在著導(dǎo)電率過低的問題,比現(xiàn)在液態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率低4-5個(gè)數(shù)量級(jí);硫化物固態(tài)電池則面臨電解質(zhì)對(duì)空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規(guī)?;a(chǎn)技術(shù)不成熟等問題。

盡管有高能量密度、高安全性的突出優(yōu)勢(shì),但就目前業(yè)界的研究及研發(fā)進(jìn)展來看,現(xiàn)階段固態(tài)電池在高低溫性能、循環(huán)壽命、倍率性能、材料成本、加工成本、量產(chǎn)能力等方面都或多或少存在著短時(shí)間無法突破的短板,且即便是能量密度可能也無法與現(xiàn)有液態(tài)電池相媲美。

所以,能生產(chǎn)出固態(tài)電池,性能是否達(dá)到人們的期望,是否具備在車用領(lǐng)域商業(yè)化應(yīng)用,這些都是極為關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)。如果性能指標(biāo)還不如現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池,工藝難度、制造成本不具備規(guī)模化優(yōu)勢(shì),那么在產(chǎn)業(yè)界持續(xù)追求低成本、高安全性、高能量密度的背景下,即便量產(chǎn),可能也只是噱頭。

2020年5月,寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群曾表示,“真正的固態(tài)電池是需要用金屬鋰作負(fù)極,這樣才能提高能量密度,目前車規(guī)級(jí)的固態(tài)電池在能量密度上還不如我們的(液態(tài))鋰離子電池”。此番評(píng)論也可看作是對(duì)近兩年固態(tài)電池?zé)岬囊环N回應(yīng)。

02 液態(tài)鋰電池提升空間仍然很足

目前,以三元和磷酸鐵鋰材料體系為主的液態(tài)鋰電池是新能源汽車領(lǐng)域當(dāng)之無愧的主流電池,而這種趨勢(shì)預(yù)計(jì)還會(huì)持續(xù)十年甚至更久。

現(xiàn)階段三元材料電池能量密度已經(jīng)做到250Wh/kg以上(指已量產(chǎn)可商用),甚至已有觸及300Wh/kg高點(diǎn)的產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)質(zhì)化的應(yīng)用測(cè)試階段。從最近兩年新上市的電動(dòng)汽車來看,續(xù)航在500km以上漸成主流,電動(dòng)汽車的續(xù)航焦慮目前已經(jīng)有較大緩解。

同時(shí),CTP、刀片電池等電池包工藝的創(chuàng)新,也提升了整包電池的帶電量,這些都在緩解和消除消費(fèi)者的里程焦慮。

另一方面,從改進(jìn)材料體系上來看,三元正極的高鎳(以NCM811)及超高鎳(鎳9系)正在成為電池企業(yè)的研發(fā)重點(diǎn),預(yù)計(jì)接下來一到兩年會(huì)步入快速量產(chǎn)期;負(fù)極層面,摻硅的硅碳負(fù)極材料也逐漸有電池、車企開始探索應(yīng)用。正極、負(fù)極材料的升級(jí),正在將三元電池能量密度向350Wh/kg目標(biāo)推進(jìn)。

盡管目前這些技術(shù)仍未大規(guī)模應(yīng)用,但從寧德時(shí)代、LG新能源、松下電池、億緯鋰能、國(guó)軒高科、孚能科技等眾多頭部電池企業(yè)的布局和進(jìn)展來看,預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)會(huì)陸續(xù)落地,并成為主流產(chǎn)品路線之一。高鎳、硅碳負(fù)極材料的應(yīng)用將會(huì)把電池能量密度拉升一個(gè)臺(tái)階,可進(jìn)一步緩解甚至消除消費(fèi)者的續(xù)航里程焦慮。比如今年年初蔚來汽車、智己汽車、廣汽埃安都宣稱基于硅負(fù)極材料的新型液態(tài)或半固態(tài)電池的車型,續(xù)航均超過了1000km,里程焦慮基本已經(jīng)消除了。

03 混合固液的半固態(tài)電池,或?qū)⑹切纶厔?shì)

從動(dòng)力電池的技術(shù)和市場(chǎng)趨勢(shì)來看,高能量密度、高安全、低成本是目前衡量電池是否“優(yōu)良”的三個(gè)重要指標(biāo)。全固態(tài)電池有很多優(yōu)點(diǎn),但業(yè)內(nèi)人士指出,就目前技術(shù)水平來看,很多優(yōu)點(diǎn)還處于“想象”階段,要滿足上述三個(gè)指標(biāo)的征途還比較漫長(zhǎng)。

不過,如果從液態(tài)到固液混合態(tài)來看,似乎可行度更高。

“(混合態(tài))對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池產(chǎn)線沒有特別大的顛覆,混合固液也適合采用軟包疊片的路線,而且裝配上與現(xiàn)在的軟包液態(tài)有極大的兼容性,可能超過80%,剩下20%可以通過現(xiàn)有很多產(chǎn)線改造,不需要大的顛覆就能實(shí)現(xiàn)規(guī)?;?、自動(dòng)化和高效量產(chǎn)。”許曉雄認(rèn)為,在未來幾年,這種混合固液的半固態(tài)電池將是主要趨勢(shì)之一。

圖片來源:鋒鋰新能源

事實(shí)上,今年年初,蔚來汽車發(fā)布的半固態(tài)電池包,就是這種固液混合的半固態(tài)電池:其電芯能量密度已達(dá)到360Wh/kg,單包帶電量預(yù)計(jì)達(dá)到150kWh;材料體系方面,正極選用的是超高鎳,負(fù)極為摻硅負(fù)極,而電解質(zhì)是固液電解質(zhì);封裝形式上采用的是軟包結(jié)構(gòu)。

從數(shù)據(jù)指標(biāo)上可以看出,蔚來發(fā)布的這款半固態(tài)電池,能量密度已突破目前液態(tài)電池的“天花板”,同時(shí)也應(yīng)用了超高鎳、硅負(fù)極等液態(tài)電池即將迭代應(yīng)用的材料。

在生產(chǎn)制造工藝上,這種固液電解質(zhì)電池整個(gè)產(chǎn)線與目前現(xiàn)有的軟包工藝相比,調(diào)整幅度較小,兼容性非常高。綜上,從材料成本、制造成本以及生產(chǎn)工藝上都沒有較大變化,無論是可行性還是經(jīng)濟(jì)性,都具有較好的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

目前包括蔚來汽車的電池供應(yīng)商,以及鋒鋰新能源都在這一領(lǐng)域進(jìn)行布局,相信還有不少電池企業(yè)也已經(jīng)在固態(tài)電池的道路上選擇了這樣一條可行性和經(jīng)濟(jì)性高的技術(shù)路線,同時(shí)因其能量密度高,安全可靠,預(yù)計(jì)接下來數(shù)年或?qū)⒊蔀橹髁骷夹g(shù)路線之一。

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