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    固態電池的煙霧與戰爭

    返回列表來源:柏艾斯 發布日期:2021-07-16 12:58:51瀏覽:-查看手機網址
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    文|智駕時代 王碩奇

    每當固態電池距離宣稱的量產日子越來越近,就很出現更多的質疑,無論是技術、成本、產業似乎都還沒有做好固態電池商用化的準備,但絲毫不影響各家企業對于固態電池的投入,而這項技術的量產時間點也正式代表了電動車和燃油車分庭抗禮的關鍵節點。

    固態電池正在成為動力電池領域的圣杯,但固然電池真得快到量產臨界點了嗎?

    在2020東京奧運會進入10天倒計時之際,各界都在盯著奧運贊助商豐田汽車的首款采用固態電池的原型車的首次亮相。

    如果按照福特、寶馬、現代、三星和中國上汽共同投資的固態電池新創企業Solid Power在一個月前的6月15日宣布將通過與SPAC合并的方式上市來看,固態電池至少量產可期。

    而無論是中國資本市場還是美日兩國的資本市場,固態電池概念已經被連續瘋炒。

    為何固態電池熱度不減?

    所謂固態電池,是指采用固態電解質的動力電池。

    它最大的特點是容量大,同時安全,也即現代液態鋰電池的兩大弊端它全解決了。

    據介紹,一輛固態汽車的續航里程可達 1000 公里(621 英里),充電需要 10 分鐘。固態電池隨著時間的推移劣化較少,豐田的目標是在 30 年的使用壽命內保持90% 的電池性能。

    在傳統鋰電池中,電解質是液態的,鋰離子在電解液中遷移來完成正負極間的穿梭實現充放電。而固態電池把電解質換成了固體——類似于一種膠體的形態,鋰離子在這種固態電解質中完成遷移。

    液態鋰電池之所以會發生自燃,就是因為電解液因為滲漏或者外力撞擊出現了外泄。而固態電池最突出的優點,就是固態電解質不可燃燒,這就極大地提高了電池安全性。

    此外,固態電池還具有耐高溫、無腐蝕、不揮發、體積小、能量密度大的特性,規避了傳統液態鋰電池的主要弱點。

    現在主流的液態鋰離子電池的能量密度上限被公認為300Wh/kg,即便是300Wh/kg也只是理論值。

    事實上國產的純電動車,能量密度目前能達到170Wh/kg、180Wh/kg就已經算最優秀的了。

    由于,固態電解質取代了隔膜和電解質(占電池中近40%的體積和25%的質量),意味著正負極之間僅剩固態電解質,因此兩極間的距離可縮短至十幾微米,從而使電池厚度大大降低,同體積下重量大為減輕,解決了新能源車自重過重的弊端,也能達到一定的節省能效的作用。

    新能源車什么時候可以取代燃油車,在動力電池領域市場公認一個答案是,現有電動車的電池系統能量密度翻一倍半,從普遍的 160wh/kg 到 400wh/kg。

    而解決電池的能量密度問題,消滅里程焦慮,最后的方案一定是固態電池。

    但是,固態電池也存在一些目前尚未攻克的瓶頸,例如:固態電解質的離子導電率較低,充電比較慢;制造工藝復雜,成本較高;產業鏈尚不完整,還難以大規模生產。

    而這此弱點在技術層面正來到臨界點,成本問題正成為它商業化的最大障礙。

    近半年來,日經新聞發表了多篇固態電池的文章,《車載全固態電池將是日德“決戰”》、《日本要借全固態電池謀求逆轉》。

    從這些文章中,不能看出日本產業界和媒體已將固態電池技術突破視為不僅僅影響電動汽車產業的關鍵技術,甚至直接影響國運。

    根本原因在于日本認為在鋰電池領域被日韓反超,影響了日本汽車產業的未來。

    日本直接將固態電池的競爭鎖定在日德兩國,主要原因是日本的豐田汽車在這領域保持領先。

    根據歐洲專利局和國際能源署的一份報告,豐田十多年來一直在追求下一代電池,從 2014 年到 2018 年,固態電池的專利申請數量最多。

    豐田在 5 月 12 日的收益會議上發誓要在 2030 年銷售 800 萬輛電動汽車,其中燃料電池汽車和電動汽車占該預期的四分之一。

    然后,在 2020 年 4 月,豐田與松下成立了一家合資企業 Prime Planet Energy & Solutions,以開發汽車電池,專注于固態電池。

    另一家日本汽車制造商日產預計到 2028 年將推出固態電池原型車。

    另外,據Nikkei Asia報道,日本工業制造商日立造船已開發出一種固態電池,聲稱其擁有業內最高容量之一。

    這家總部位于大阪的公司表示,這種新型固態電池可以在更大的溫度范圍內運行。它將很快在工業機械和太空中進行測試。

    該公司表示,其新型突破性電池的容量是其以前型號的七倍。

    日本制造的固態電池容量為 1,000 毫安時 (mAh)。

    此外,它還可以在 -40º 至 100ºC(-40º 至 212ºF)的溫度范圍內運行。日立造船甚至宣布與日本宇宙航空研究開發機構達成協議,在太空測試其固態電池。

    此外,日本電池公司村田制作所宣稱已在2021財年內量產安全性更高的新一代電池“全固態電池”。但這一電池主要面向耳機等可穿戴終端供貨。它的技術突破源于從索尼收購的鋰離子電池技術加上通過主力的積層陶瓷電容器(MLCC)積累的積層技術等,實現了大容量化。

    但這一電池并不適用于大容量、高輸出功率的用途,也就是不適合做動力電池。

    日經新聞報道稱,日本政府正在考慮將一部分新的 2 萬億日元(192 億美元)脫碳基金用于在該國建設固態電池生產基礎設施。三井金屬、石油公司出光興產和住友化學等工業公司都在加緊制造固體電解質。

    而被日本視為對手的則是正在謀求上市的Solid Power和得到比爾·蓋茨和大眾汽車支持的QuantumScape。

    在智駕君看來,當前最有可能量產的是Solid Power,一是其即將上市,二來它的投資商寶馬集團在今年6月2日的一場線上發布會中代替Solid Power宣布:計劃在2022年開展100安時固態電芯車規級標準的測試及整車的集成,2025年前推出應用固態電池的原型車,2030年前將技術應用于量產車。

    今天五月,Solid Power推出了全固態平臺(All-Solid-State Platform)技術,并公布了三種獨特的電池設計。此外,該公司還稱,已成功將富含硅的全固態電池過渡至其位于科羅拉多州的生產線。

    該靈活的全固態平臺由Solid Power專有的硫化物固態電解質提供動力,并可以使陽極中的大量硅和鋰金屬與滿足工業標準的和商業成熟的陰極(包括鋰、鎳、錳、鈷氧化物(NMC))配對。

    此外,該平臺還可使用低成本和高比能量轉換型陰極,而這些陰極不適用于鋰離子或其他基于液體的電芯結構。通過結合鋰金屬陽極,轉化型陰極可以從陰極中完全去除鈷和鎳,并可以將陰極活性材料的成本降低90%。

    而德國的另兩大巨頭之一的大眾汽車表示將在2025年之前生產出自己的固態電池。

    大眾汽車集團零部件公司首席技術官Thomas Schmall在今年6月1日接受采訪時表示:“目前,大眾汽車對開發新一代固態電池寄予厚望,并考慮將電池業務分拆上市。”

    大眾汽車高層認為,固態電池有更好的性能和更低的成本,公司希望在2025年形成完整的固態電池銷售模式,向市場供應固態電池,并計劃到2030年在歐洲建立6家大型電池工廠,總年產能達到240GWh。

    在昨天大眾集團CEO迪斯發布的2030戰略中,并沒有提到固態電池,但明確提出了打造世界三大電池制造商的目標。

    而戴姆勒則是2020年宣布了與加拿大魁北克水電公司合作開發固態電池的消息,達到量產狀態后將在戴姆勒旗下的電動汽車上使用。

    相比而言,中國在固態電池領域被世界所關注,即是今年1月9號,蔚來李斌在NIO Day上高調發布能量密度達360Wh/kg的150kWh固態電池包,搭載該電池包的蔚來ET7轎車續航將超過1000km。

    這一消息先是在中國動力電池領域引發爭論,有哪家供應商能在神不知鬼不覺得實現量產,繼而這一消息迅速引發世界汽車巨頭的關注。

    中國一躍成為固態電池的主要玩家之一。

    而如果按照ET7明年開始交付的話,這時候的固態電池量產也接近尾聲了。

    而這最終證明是一個有點夸大的宣傳。

    此后李斌已多次澄清,ET7搭載的電池實為半固態電池。

    從液態到半固態是不是巨大的進步呢?

    這要看從哪個角度看。

    目前量產的固態電池仍不能稱為全固態

    目前,市場上有部分企業宣稱固態電池已進入、或即將進入量產階段,比如輝能科技宣稱將于2024年實現固態電池量產,但已公開電池內部含有一定量的液態電解液,并非真正意義上的固態電池。

    現階段宣稱量產的固態電池普遍存在兩個特點:

    (1)負極仍為石墨或者含少量硅的Si-C復合負極此電池體系結構與現有液態鋰離子電池一致,并未有突破性的設計。

    同時由于氧化物、硫化物等無機固態電解質的密度普遍高于現有商業碳酸酯等液態電解液,在采用相同的正負極材料體系下,固態電池的能量密度低于現有商業化的鋰離子電池。因此,從能量密度考慮,應該開發鋰金屬等高容量材料作為負極。但由于鋰金屬負極制備工藝、鋰金屬負極巨大的體積變化、鋰金屬電池微短等因素的限制,高能量密度固態鋰金屬電池距離量產應用還有較長的研究路程。

    (2)多數為固液混合體系針對固態電池的界面難點,業界提出可以在電池中添加少量的液體成分以改善界面浸潤。

    中科院李泓老師等人在《儲能科學與技術》期刊所發表文章中將這種技術路線按照液體組分的添加量劃分出不同的固態電池概念,其中,液態含量占比為10%的體系稱為半固態電池,5%稱為準固態電池(也有人表示液態含量低至5%后的體系,就可以認為是“固態”電池)。上述含液體的電池可以認為是固液混合,而不含任何液體組分的,才能被公認為“全固態電池”。

    因此包括蔚來在內的多家企業,嚴格意義上來講都不算純固態電池。

    蔚來宣傳的時候,最為關鍵的注液量根本沒提,提的是原位固化。

    不過從商業角度看,不違背法律就行。

    但如果從這個角度出發,那么任何鋰電池都可以叫做固態電池,或者說半固態電池,或者混合固液電池。

    從寬泛的學術角度來看,只要注液量能夠低到一定程度,安全性大幅度提升,宣傳半固態沒毛病。

    但從嚴謹的學術角度來看,有液體電解質就不能成為固態電池。

    而非全固態的固態鋰電,在能量密度方面沒有那么大的優勢,在安全性方面,有所改進但并沒有根除,依然 有相當高的風險。

    此外,在生產線規劃和投資方面依然有較大的變化風險。

    不過雖然量產有難度,何時技術突破有爭議,我國布局固態電池的企業不在少數。

    寧德時代的固態電池,表示要到2030年會面向市場推出。

    在2019 年12 月,工信部發布《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035 年)》(征求意見稿)中,把加快固態動力電池技術研發及產業化被列為“新能源汽車核心技術攻關工程”,將固態電池或推升到了國家戰略層面。

    在中國車企中,上汽集團也在6月15日發布了消息,稱2025年將正式推出高安全性、高能量密度、面向商業應用的固態鋰電池。

    不過它所宣稱的這款固態電池事實上Quantum Scaper,上汽與大眾一樣也是Quantum Scape的投資方之一。

    當前對于大規模應用固態鋰電的預期,是在2025年。

    目前來說其實并沒有提前的跡象(最多就是小規模示范性項 目),而且看現在的實際車企測試的結果,還有向2030年繼續推遲下去的趨勢。

    此外制造固態電池的氧化物和硫化物電解質,屬于多孔隙的陶瓷材料,材料的特點就是脆,想要加工成很薄的電解質很困難,稍有不慎就會斷裂。

    同時以現有的工藝水平和設備能力,成品的良率也無法保障。

    當前固態電池離量產還有距離,更不談配套的產業鏈。

    不過,固態電池的生產存在瓶頸是現實。

    在從走出實驗室到量產還有一段時間,這段時間有多長,并不取決于車企宣布的時間表。

    今年豐田的搭載固態電池的原型車備受期待,但豐田在今年五月表示,生產固態電池仍然存在巨大挑戰,需在新材料、新設計的取得突破的前提下,才能夠激發電池的真正潛力,目前離理想的方案還有些距離。

    在世界主要汽車制造大國開展固態電池的軍備競賽的同時,業內人士將特斯拉和馬期克視為一個冷眼看世界的旁觀者,馬斯克一直對固態電池保持沉默,并一直暗示最應擔心的是當前鋰離子電池的鎳供應。

    不過今天特斯拉在去年發布的4680電池有了新進展。

    7月13日,《韓國先驅報》消息人士稱,三星SDI和LG Energy Solution已經完成了特斯拉在 2020 年展示的 4680 節電池的開發。

    “三星 SDI 和 LG Energy Solution 已經開發了圓柱形 4680 電池的樣品,目前正在他們的設施中進行各種測試,以驗證其結構完整性。此外,他們還向供應商提供了 4680 電池的規格,”一位了解此事的高級行業官員告訴該機構。

    他們正在努力贏得特斯拉的合同。

    從馬斯克的選擇回頭看動力電池的圣杯是不是一定是固態電池?

    事實上就商業化而言,也需要保留一絲懷疑,馬斯克已經用18650電池證明了最先進的電池不一定適合商業化,成熟的低本成的技術才是打開電池效能天花板的關鍵。

    行文至此,不由想起固態電池的研發歷史,固態技術的起源可以追溯到 1834 年,與比特斯拉更早的偉大科學家法拉第(Farraday)發現了固態離子。

    而至上世紀 1950 年代,材料科學發展到足以使固態成為基于實驗室的可行理論。至今人類在它身上已經投下了數十億美元的研究,固態電池固然已經走出實驗室,但成為商業現實還需要繼續努力。

    我們無法通過一篇文章撥開固態電池的迷霧,但顯然在迷露無法揭開的情況下,關于固態電池的競爭已被賦予了太多非技術本身的因素,它意味著巨大的財富,意味著產業興衰,甚至國家成敗。

    但我們相信,在一個成熟市場中,技術的突破不可能寄托于一家公司,它一直是產業鏈的勝利,就此而言,我們不必擔心在這一領域被德日超過。


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