固态电池,新能源的终途?

2024-07-03 60129阅读

固态电池作为面向未来的技术,暂不具备量产的前提条件,但每有风闻流出,却总能轻易撩拨大众的心弦,如此神奇的存在。

据彭博社报道,世界最大汽车公司丰田正寻求在上海设立独资工厂,用于生产制造雷克萨斯品牌的高端电动车型。

丰田的诉求是:享受与特斯拉同等的待遇,包括税收减免、政策支持、土地补助等补贴。

如若传闻成真,这会是丰田相信并加码新能源汽车以及中国市场的表现之一,若是再结合广汽丰田不久前发布的电动规划:2027年推出全固态电池。又不禁让人遐想:上海工厂会是丰田固态电池量产落地的重要阵地么?

而早自今年北京车展期间,固态电池就又一次被行业所热议。丰田汽车副社长、首席技术官中岛裕树就在北京车展期间称,固态电池研发正在按照计划顺利推进,长寿命和充电放电时间短的优点保持不变。

4月28日,全球动力电池巨头宁德时代的首席科学家吴凯也在中国国际电池技术交流会上披露,宁德时代有机会在2027年小批量生产固态电池。

上汽更激昂一些,在推出搭载半固态电池的车型智己L6后,进一步宣布计划在2026年量产全固态电池,2027年推出搭载固态电池的车型。其固态电池来自清陶能源,上汽集团为该公司的投资者之一。

随后一则国家层面对固体电池研发的支持计划传闻,更是将固态电池热度推向新高:中国或将投入约60亿元用于全固态电池研发,包括宁德时代、比亚迪、一汽、上汽、卫蓝新能源和吉利共六家企业或获得政府基础研发支持。

跨国汽车巨头们,也都拥有自己的固态电池技术储备。

例如丰田之外,大众、宝马都持续加大了对明星初创公司Quantum Space和Solid Power的投资,而这两家公司最吸引人的技术就聚焦在固态电池领域。

但固态电池的量产时间表一再被推迟,三年之后又三年...“三年后量产”的口号已然喊了快十年。

一再跳票,却仍能勾人心火,固态电池有何魅力呢?首先源自固态电池对能量密度的显著提升。

早期新能源汽车拥有众多的动力电池路线,例如铅酸蓄电池就因为成本低廉和安全稳定的特性,获得过丰田、日产、通用等车企的青睐,但锂离子电池还是凭借能量密度优势后来居上。

锂离子电池由锂金属氧化物正极、石墨负极、电解液和隔膜构成,而锂金属氧化物正极和石墨负极组合的秒处就在于,强大的锂离子容纳能力使得单体电池的体积能量密度可达到300-650Wh/L,重量能量密度达到200-260Wh/kg。

在体积能量密度和质量能量密度两方面的优异性能,使得选用锂离子电池的电动车可以携带更多的电量,从而拥有更高的续航里程。

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再结合硅基石墨负极的化学材料层面创新,以及CTP(Cell to Pack)、CTC(Cell to Chassis)等物理结构上的革新,即使磷酸铁锂电池,成包后的能量密度仍能达到200Wh/kg。

至于宁德时代采用能量密度更高的三元锂正极、体积利用率突破72%的麒麟电池,其能量密度则可来到255Wh/kg。

固态电池则可以轻松地把电池能量密度推向更高的层级,来到400-900Wh/kg。

例如刚刚获得数亿元Pre-B轮融资的太蓝新能源推出的车规级固态电池,其单体能量密度为720Wh/kg,这意味着电动车的续航里程将超过燃油车。

固态电池高能量密度的原因在于其用固态电解质替代了电解液,也不再需要隔膜,极大提升了化学安全性,从而可以使用能量密度更高的正负极材料,例如使用锂容纳能力更强的锂金属负极替代锂离子电池中的石墨负极。

根据三星发表的固态电池基础论文,开发一款超级大容量的固态电池是可行的,该电池相较于目前最好的锂离子电池,能量密度提升显著。

动力电池能量密度提升后,除了可以带来更高的续航表现,也会有效改善纯电动车、尤其是纯电动轿车的结构布置问题。

电池包过厚造成的底盘偏高依然是当下纯电轿车的一大顽疾,使我们不得不做出一些取舍:

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而且,超重的电池包还严重影响了车辆的动态响应。当高能量密度的固态电池装车,更小体积和更轻重量的电池包势必会带来车辆结构的优化,让纯电轿车找回优雅。

固态电池另一个颇被期待的优势就是安全性,因为固态电解质可使锂金属电极一直保持平整性,这一点非常重要。

新能源汽车自燃是个难以回避的问题,背后原因之一便是锂离子电池的循环稳定性与寿命。

正如我们介绍的,锂离子电池需要液态电解液作为内部化学反应的媒介,从而也需要隔膜将正负极反应区隔开。

在充放电过程中,石墨负极的空隙结构可以保证其内部的电解液高效“吸收”锂离子,但当充电进行到一定程度后,石墨空隙中的锂变多,空间变小。

继续充电,就会使石墨负极中的电解液趋于饱和状态,电子进入困难,不再在石墨内与锂离子结合,转而去消耗电解质,在石墨负极表面形成一个反应层。

我们把这个反应层称为SEI(solid electrolyte interphase),得益于这个保护层,锂离子电池可以继续工作和循环。

但随着充放电循环次数的增加,游离的锂离子会逐渐聚集在SEI层表面,形成锂金属枝晶沉淀下来,不再参与电池的充放电循环,这是电池电量衰减的原因之一。

当这个过程继续,SEI表面形成的锂金属枝晶不断堆积,最终会刺破隔膜,造成锂离子电池内部短路,而恰好电解液也都为易燃有机溶剂,也就会造成自燃现象。

不适当的快充操作会加剧这一现象的发生,过度追求更高集成、更高能量密度的电池也会削弱电池的稳定性。

例如对三星Galaxy Note 7电池爆炸原因的一种猜测便是:为了进一步提升电池的能量密度,用更薄的电池带动更高清的屏幕,Note 7电池隔膜的厚度被削减至4μm,而彼时的行业极限是8μm。

固态电解质的引入,巧妙地解决了这些问题。在极大提升能量密度的同时,经过数千次的充放电循环后,固态电解质还能使固态电池的锂金属电极表面保持平整。

这意味着动力电池循环安全和能量密度的革命性升级。吴凯就表示,固态电池之所以吸引各国参与,核心价值在于能够在确保安全的前提下大幅提升电池能量密度。

同时,固态电池在快充方面也具备广阔的想象空间。不过,前景虽然光明,固态电池的脚下却是一片荆棘,“商业化”落地并不明朗。

与早期动力电池路线分歧相似,目前学界与行业端都未找到一条清晰的固态电解质技术路线,因为要量产装车,固态电解质必须得是兼顾总导电率、锂稳定性、空气稳定性、断裂韧性、弹性模量、可加工性等特性的多边形战士。

例如日本TDK(Tokyo Denkikagaku Kogyo K.K)公司近期研发出一款名为“CeraCharge”的新型固态电池,使用了氧化物基固态电解质和锂金属负极,将电池的能量密度提升至1000Wh/L。

但为了保证效能和稳定,CeraCharge使用了大量陶瓷材料,这就造成电池的断裂韧性成疑,所以其更可能的途径是作为手机、手表等3C电子产品的电源,而不是车规级的动力电池。

目前看,固态电解质材料之争中,硫化物路线稍稍领先,最具量产希望,而丰田汽车的研发方向恰恰是硫化物固态电解质。

但锂金属作为负极,其实相较石墨负极更易产生锂金属枝晶,所以对固态电解质的稳定性提出更高要求。而硫化物电解质恰恰在空气中不够稳定,容易和空气中的水分子发生反应生成有毒气体。

同时,硫化物电解质成本也非常高,制备这类原材料的特殊工艺也增加了成本。所以目前,固态电解质的技术路线仍是“百花齐放”:丰田和日产押宝于硫化物,三星偏爱另一种硫银锗矿,QuantumScape则钟情于氧化物。

谈到落地成本,目前固态电池的成本仍然堪比黄金。以“加速世界向可持续能源转变”为使命的特斯拉CEO马斯克也不看好固态电池,理由便是没有“商业优势”。

而当成本居高不下,固态电池带来的性能提升是否还那么诱人呢?

例如,根据广汽丰田的电动规划:全固态电池预计会在2027-2028年推出,续航1000km,快充时间在10分钟以内。

同为2027 -2028年推出的高性能锂离子电池,则同样可以拥有1000km以上续航,快充时间可控制在20分钟以内,同时关键的是,其成本会降低10%。

“更具竞争力的价格”VS.“稍快的充电时间+可能的安全性提升”,如果你是手握真金白银的消费者,相同的续航条件下,届时会如何选择呢?

还要考虑到,固态电池的落地也面临着跳票风险。

丰田无疑已是固态电池领域的头羊,其相关专利数量遥遥领先,但早从上个十年开始,外界就在释放丰田有望推进固态电池的风声,而至今丰田仍未有确切的批量车端试验规划。

这种情况下,一向稳健的丰田能否如最新时间表,在2027年或2028年量产上车固态电池,我们也要持谨慎的乐观态度。

正如吴凯博士所言,固态电池研发和量产不是渐进式创新,而是原创性创新,是一项非常艰巨的工作。所以我们当下对待固态电池的态度更应该是:抱着期待与热忱,但也不失冷静与审视。

本文作者为踢车帮 孙小树

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