AutoR智驾 2021-07-15 11:20
固态电池的烟雾与战争
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每当固态电池距离宣称的量产日子越来越近,就很出现更多的质疑,无论是技术、成本、产业似乎都还没有做好固态电池商用化的准备,但丝毫不影响各家企业对于固态电池的投入,而这项技术的量产时间点也正式代表了电动车和燃油车分庭抗礼的关键节点。

固态电池正在成为动力电池领域的圣杯,但固然电池真得快到量产临界点了吗?


在2020东京奥运会进入10天倒计时之际,各界都在盯着奥运赞助商丰田汽车的首款采用固态电池的原型车的首次亮相。


如果按照福特、宝马、现代、三星和中国上汽共同投资的固态电池新创企业Solid Power在一个月前的6月15日宣布将通过与SPAC合并的方式上市来看,固态电池至少量产可期。


而无论是中国资本市场还是美日两国的资本市场,固态电池概念已经被连续疯炒。


为何固态电池热度不减?


所谓固态电池,是指采用固态电解质的动力电池。


它最大的特点是容量大,同时安全,也即现代液态锂电池的两大弊端它全解决了。


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据介绍,一辆固态汽车的续航里程可达 1000 公里(621 英里),充电需要 10 分钟。固态电池随着时间的推移劣化较少,丰田的目标是在 30 年的使用寿命内保持90% 的电池性能。


在传统锂电池中,电解质是液态的,锂离子在电解液中迁移来完成正负极间的穿梭实现充放电。而固态电池把电解质换成了固体——类似于一种胶体的形态,锂离子在这种固态电解质中完成迁移。


液态锂电池之所以会发生自燃,就是因为电解液因为渗漏或者外力撞击出现了外泄。而固态电池最突出的优点,就是固态电解质不可燃烧,这就极大地提高了电池安全性。


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▲传统锂电池会因为短路、电解液渗漏等原因发生自燃


此外,固态电池还具有耐高温、无腐蚀、不挥发、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。


现在主流的液态锂离子电池的能量密度上限被公认为300Wh/kg,即便是300Wh/kg也只是理论值。


事实上国产的纯电动车,能量密度目前能达到170Wh/kg、180Wh/kg就已经算最优秀的了。


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由于,固态电解质取代了隔膜和电解质(占电池中近40%的体积和25%的质量),意味着正负极之间仅剩固态电解质,因此两极间的距离可缩短至十几微米,从而使电池厚度大大降低,同体积下重量大为减轻,解决了新能源车自重过重的弊端,也能达到一定的节省能效的作用。


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半,从普遍的 160wh/kg 到 400wh/kg。


而解决电池的能量密度问题,消灭里程焦虑,最后的方案一定是固态电池。



但是,固态电池也存在一些目前尚未攻克的瓶颈,例如:固态电解质的离子导电率较低,充电比较慢;制造工艺复杂,成本较高;产业链尚不完整,还难以大规模生产。


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而这此弱点在技术层面正来到临界点,成本问题正成为它商业化的最大障碍。


近半年来,日经新闻发表了多篇固态电池的文章,《车载全固态电池将是日德“决战”》、《日本要借全固态电池谋求逆转》。


从这些文章中,不能看出日本产业界和媒体已将固态电池技术突破视为不仅仅影响电动汽车产业的关键技术,甚至直接影响国运。


根本原因在于日本认为在锂电池领域被日韩反超,影响了日本汽车产业的未来。


日本直接将固态电池的竞争锁定在日德两国,主要原因是日本的丰田汽车在这领域保持领先。


根据欧洲专利局和国际能源署的一份报告,丰田十多年来一直在追求下一代电池,从 2014 年到 2018 年,固态电池的专利申请数量最多。


丰田在 5 月 12 日的收益会议上发誓要在 2030 年销售 800 万辆电动汽车,其中燃料电池汽车和电动汽车占该预期的四分之一。


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然后,在 2020 年 4 月,丰田与松下成立了一家合资企业 Prime Planet Energy & Solutions,以开发汽车电池,专注于固态电池。


另一家日本汽车制造商日产预计到 2028 年将推出固态电池原型车。 


另外,据Nikkei Asia报道,日本工业制造商日立造船已开发出一种固态电池,声称其拥有业内最高容量之一。


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▲日立造船的全固态电池


这家总部位于大阪的公司表示,这种新型固态电池可以在更大的温度范围内运行。它将很快在工业机械和太空中进行测试。


该公司表示,其新型突破性电池的容量是其以前型号的七倍。


日本制造的固态电池容量为 1,000 毫安时 (mAh)。


此外,它还可以在 -40º 至 100ºC(-40º 至 212ºF)的温度范围内运行。日立造船甚至宣布与日本宇宙航空研究开发机构达成协议,在太空测试其固态电池。


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此外,日本电池公司村田制作所宣称已在2021财年内量产安全性更高的新一代电池“全固态电池”。但这一电池主要面向耳机等可穿戴终端供货。它的技术突破源于从索尼收购的锂离子电池技术加上通过主力的积层陶瓷电容器(MLCC)积累的积层技术等,实现了大容量化。


但这一电池并不适用于大容量、高输出功率的用途,也就是不适合做动力电池。


日经新闻报道称,日本政府正在考虑将一部分新的 2 万亿日元(192 亿美元)脱碳基金用于在该国建设固态电池生产基础设施。三井金属、石油公司出光兴产和住友化学等工业公司都在加紧制造固体电解质。


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而被日本视为对手的则是正在谋求上市的Solid Power和得到比尔·盖茨和大众汽车支持的QuantumScape。


在智驾君看来,当前最有可能量产的是Solid Power,一是其即将上市,二来它的投资商宝马集团在今年6月2日的一场线上发布会中代替Solid Power宣布:计划在2022年开展100安时固态电芯车规级标准的测试及整车的集成,2025年前推出应用固态电池的原型车,2030年前将技术应用于量产车。


今天五月,Solid Power推出了全固态平台(All-Solid-State Platform)技术,并公布了三种独特的电池设计。此外,该公司还称,已成功将富含硅的全固态电池过渡至其位于科罗拉多州的生产线。


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该灵活的全固态平台由Solid Power专有的硫化物固态电解质提供动力,并可以使阳极中的大量硅和锂金属与满足工业标准的和商业成熟的阴极(包括锂、镍、锰、钴氧化物(NMC))配对。


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此外,该平台还可使用低成本和高比能量转换型阴极,而这些阴极不适用于锂离子或其他基于液体的电芯结构。通过结合锂金属阳极,转化型阴极可以从阴极中完全去除钴和镍,并可以将阴极活性材料的成本降低90%。


而德国的另两大巨头之一的大众汽车表示将在2025年之前生产出自己的固态电池。


大众汽车集团零部件公司首席技术官Thomas Schmall在今年6月1日接受采访时表示:“目前,大众汽车对开发新一代固态电池寄予厚望,并考虑将电池业务分拆上市。”


大众汽车高层认为,固态电池有更好的性能和更低的成本,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。


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在昨天大众集团CEO迪斯发布的2030战略中,并没有提到固态电池,但明确提出了打造世界三大电池制造商的目标。


而戴姆勒则是2020年宣布了与加拿大魁北克水电公司合作开发固态电池的消息,达到量产状态后将在戴姆勒旗下的电动汽车上使用。


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相比而言,中国在固态电池领域被世界所关注,即是今年1月9号,蔚来李斌在NIO Day上高调发布能量密度达360Wh/kg的150kWh固态电池包,搭载该电池包的蔚来ET7轿车续航将超过1000km。


这一消息先是在中国动力电池领域引发争论,有哪家供应商能在神不知鬼不觉得实现量产,继而这一消息迅速引发世界汽车巨头的关注。


中国一跃成为固态电池的主要玩家之一。


而如果按照ET7明年开始交付的话,这时候的固态电池量产也接近尾声了。


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而这最终证明是一个有点夸大的宣传。


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此后李斌已多次澄清,ET7搭载的电池实为半固态电池。


从液态到半固态是不是巨大的进步呢?


这要看从哪个角度看。


目前量产的固态电池仍不能称为全固态


目前,市场上有部分企业宣称固态电池已进入、或即将进入量产阶段,比如辉能科技宣称将于2024年实现固态电池量产,但已公开电池内部含有一定量的液态电解液,并非真正意义上的固态电池。


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现阶段宣称量产的固态电池普遍存在两个特点:


(1)负极仍为石墨或者含少量硅的Si-C复合负极此电池体系结构与现有液态锂离子电池一致,并未有突破性的设计。


同时由于氧化物、硫化物等无机固态电解质的密度普遍高于现有商业碳酸酯等液态电解液,在采用相同的正负极材料体系下,固态电池的能量密度低于现有商业化的锂离子电池。因此,从能量密度考虑,应该开发锂金属等高容量材料作为负极。但由于锂金属负极制备工艺、锂金属负极巨大的体积变化、锂金属电池微短等因素的限制,高能量密度固态锂金属电池距离量产应用还有较长的研究路程。


(2)多数为固液混合体系针对固态电池的界面难点,业界提出可以在电池中添加少量的液体成分以改善界面浸润。


中科院李泓老师等人在《储能科学与技术》期刊所发表文章中将这种技术路线按照液体组分的添加量划分出不同的固态电池概念,其中,液态含量占比为10%的体系称为半固态电池,5%称为准固态电池(也有人表示液态含量低至5%后的体系,就可以认为是“固态”电池)。上述含液体的电池可以认为是固液混合,而不含任何液体组分的,才能被公认为“全固态电池”。


因此包括蔚来在内的多家企业,严格意义上来讲都不算纯固态电池。


蔚来宣传的时候,最为关键的注液量根本没提,提的是原位固化。


不过从商业角度看,不违背法律就行。


但如果从这个角度出发,那么任何锂电池都可以叫做固态电池,或者说半固态电池,或者混合固液电池。


从宽泛的学术角度来看,只要注液量能够低到一定程度,安全性大幅度提升,宣传半固态没毛病。


但从严谨的学术角度来看,有液体电解质就不能成为固态电池。


而非全固态的固态锂电,在能量密度方面没有那么大的优势,在安全性方面,有所改进但并没有根除,依然 有相当高的风险。


此外,在生产线规划和投资方面依然有较大的变化风险。


不过虽然量产有难度,何时技术突破有争议,我国布局固态电池的企业不在少数。


宁德时代的固态电池,表示要到2030年会面向市场推出。


在2019 年12 月,工信部发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年)》(征求意见稿)中,把加快固态动力电池技术研发及产业化被列为“新能源汽车核心技术攻关工程”,将固态电池或推升到了国家战略层面。


在中国车企中,上汽集团也在6月15日发布了消息,称2025年将正式推出高安全性、高能量密度、面向商业应用的固态锂电池。


不过它所宣称的这款固态电池事实上Quantum Scaper,上汽与大众一样也是Quantum Scape的投资方之一。


当前对于大规模应用固态锂电的预期,是在2025年。


目前来说其实并没有提前的迹象(最多就是小规模示范性项 目),而且看现在的实际车企测试的结果,还有向2030年继续推迟下去的趋势。


此外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,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。


同时以现有的工艺水平和设备能力,成品的良率也无法保障。


当前固态电池离量产还有距离,更不谈配套的产业链。


不过,固态电池的生产存在瓶颈是现实。


在从走出实验室到量产还有一段时间,这段时间有多长,并不取决于车企宣布的时间表。


今年丰田的搭载固态电池的原型车备受期待,但丰田在今年五月表示,生产固态电池仍然存在巨大挑战,需在新材料、新设计的取得突破的前提下,才能够激发电池的真正潜力,目前离理想的方案还有些距离。


在世界主要汽车制造大国开展固态电池的军备竞赛的同时,业内人士将特斯拉和马期克视为一个冷眼看世界的旁观者,马斯克一直对固态电池保持沉默,并一直暗示最应担心的是当前锂离子电池的镍供应。    不过今天特斯拉在去年发布的4680电池有了新进展。


7月13日,《韩国先驱报》消息人士称,三星SDI和LG Energy Solution已经完成了特斯拉在 2020 年展示的 4680 节电池的开发。


“三星 SDI 和 LG Energy Solution 已经开发了圆柱形 4680 电池的样品,目前正在他们的设施中进行各种测试,以验证其结构完整性。此外,他们还向供应商提供了 4680 电池的规格,”一位了解此事的高级行业官员告诉该机构。


他们正在努力赢得特斯拉的合同。


从马斯克的选择回头看动力电池的圣杯是不是一定是固态电池?


事实上就商业化而言,也需要保留一丝怀疑,马斯克已经用18650电池证明了最先进的电池不一定适合商业化,成熟的低本成的技术才是打开电池效能天花板的关键。


行文至此,不由想起固态电池的研发历史,固态技术的起源可以追溯到 1834 年,与比特斯拉更早的伟大科学家法拉第(Farraday)发现了固态离子。


而至上世纪 1950 年代,材料科学发展到足以使固态成为基于实验室的可行理论。至今人类在它身上已经投下了数十亿美元的研究,固态电池固然已经走出实验室,但成为商业现实还需要继续努力。


我们无法通过一篇文章拨开固态电池的迷雾,但显然在迷露无法揭开的情况下,关于固态电池的竞争已被赋予了太多非技术本身的因素,它意味着巨大的财富,意味着产业兴衰,甚至国家成败。


但我们相信,在一个成熟市场中,技术的突破不可能寄托于一家公司,它一直是产业链的胜利,就此而言,我们不必担心在这一领域被德日超过。

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