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真正的固态电池离“上车”还有多远?

作者:赵建国 来源:中国汽车报 发布时间:2021-10-22 浏览:

纯电动汽车续驶里程如何超1000公里?答案是使用固态电池!

10月18日,富士康母公司鸿海精密发布Model C、Model E、Model T三款电动汽车,标志着其正式跨界造车,同时富士康还宣布将在2024年推出第一款纯电动汽车固态电池。

“我们应用固态电解质膜和专用正极材料,制备出了能量密度高达350Wh/kg的固态电池样品。”10月19日,上市公司珠海冠宇表示。而在此前一天,美国电动汽车全固态电池开发商Solid Power公布了其高含量硅全固态电池技术的安全和性能数据。其小型软包电池在室温下可实现1000多次循环,Solid Power正致力于继续提高该电池的性能。而作为“局内人”的LG化学、松下、宁德时代、国轩高科等国内外电池企业也都在积极研发固态电池。

2019年诺贝尔化学奖得主之一的英国化学家斯坦利·威廷汉曾指出:“制造固态电池最困难的部分是需要同时满足高能量密度、快速充电、长循环寿命和宽温度范围工作的要求。”如今,能够满足这些要求的固态电池离“上车”究竟还有多远呢?

“半固态”是过渡技术?

10月15日,蔚来汽车宣布合肥智能工厂生产线完成阶段性升级,将于年内在此量产蔚来ET7,而这款车也是蔚来首款应用“固态电池”的车型,其公布的顶配版ET7为150千瓦时(KWh)的“固态电池”,续驶里程达到1000公里。但公开信息显示,该“固态电池”不是100%固态,是90%固态+10%液体电解质的“半固态电池”。

“固态电池,简而言之就是采用固态电解质的锂离子电池。而‘半固态电池’是一种过渡技术,在目前阶段也是比较领先的技术之一。”浙江新能源技术应用研究院研究员陆安程在接受《中国汽车报》记者采访时表示,至今仍然在广泛应用的锂离子电池,使用液体电解质来移动能量。其充电速度相对较慢,快充则容易引起电池温度升高和寿命缩短并具有一定危险性,而在摄氏零度以下时电解液有可能会冻结,并且电池在发生碰撞时也会有一定危险。

“客观而言,固态电池具有诸多优点,但也有缺点。”江苏新能源汽车行业发展研究院研究员厉建平向《中国汽车报》记者介绍,固态电池的优点在于以下四点。一是更安全,液态电解质在充电过程中可能出现锂枝晶生长并刺破隔膜引起电池短路的问题,而固态电解质不存在电解液漏液问题,不会在高温下发生副反应,不会因漏气而发生燃烧。二是能量密度高,目前液体电解质电池能量密度最高可至300Wh/kg,全固态电解质电池可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以大为减轻负极材料的用量,使得整个电池的能量密度有明显提高。三是循环性能强,理想状态下固态电池循环性能可以达到45000次左右。四是适用范围扩大,固态电解质赋予固态锂电池结构紧凑、规模可调、设计弹性大等特点,目前基本保证可以在摄氏零下25度至零上60度之间安全稳定使用。“当然,固态电池目前的缺点是界面阻抗过大,成本相对较高,这些都有望随着技术进步得以解决。”他表示,受当前技术水平的限制,距离全固态电池量产还需要几年时间。

“此外,固态电池可以做到既达到能量密度高,又具备重量很轻、很薄、体积小、柔性化的特点。”华东新材料技术研究院研究员林澍文向《中国汽车报》记者谈到,理论上,固态电池正负极之间的距离可以缩短到只有几微米,由此,即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米级以下后也是可以弯曲并有柔性,可以用在更多的电子产品上。他表示,从材料角度看,如果把2010年日产聆风应用的锰酸锂电池看作是第一代动力电池,目前的三元锂电池和磷酸铁锂等电池可以算作是第二代动力电池,续驶里程比第一代的200公里增加了一倍多。未来最优选的下一代动力电池,更多人认为是全固态电池。

还有哪些待解难题?

时至今日,固态电池是动力电池未来发展方向之一似乎已经没有太大的争议,但是,真正的全固态电池一直没有走向市场,是因为还有很多技术难题尚未破解。

“其实,诺奖得主斯坦利·威廷汉所说的固态电池要满足高能量密度、快速充电、长循环寿命和宽温度范围工作要求,都是目前需要破解和有待继续开发的技术难题。”陆安程表示,任何一项新兴技术从诞生到产业化应用都需要有个过程,固态电池也不例外。其中,一方面,限制固态电池落地的核心技术难点在于电解质,目前有四种技术路线,即聚合物、薄膜、硫化物和氧化物。在日韩企业,多采用硫化物固态电解质技术路线,而中国企业多以氧化物路线为主,欧美企业选择则呈多样化,如宝马与福特投资的美国电池公司Solid Power主要研发基于硫化物的全固体电池,而另一家美国电池公司Quantum Scape研发的固态电池走的是氧化物路线。

“几种材料的固态电池技术各有限制。”林澍文表示,对于薄膜固态电池和氧化物固态电池,难以研制大容量动力或储能电池;聚合物固态电池则受限于现有聚氧化乙烯材料体系,无法在常温下工作且难以兼容高电压正极;硫化物固态电池则面临电解质对空气敏感、制造条件苛刻、原材料昂贵、规模化生产技术不成熟等技术难题。

“全固态电池的难题还包括固态电解质材料的锂离子电导率偏低等有待解决的问题。”厉建平认为,并且,现阶段全固态电池制备工艺复杂,且固体电解质价格较贵,一系列因素导致现阶段全固态动力电池的成本仍然偏高。

距离“上车”还有多远?

在国外,固态电池研发企业一直受到资本及车企的追捧。

成立于2012年的Quantum Scape,已经得到了大众、大陆、上汽等众多车企的投资。而宝马和福特看好的Solid Power,已经计划2022年试制大容量的固态电池产品,并计划2024年开始量产。近日,宝马汽车电池技术主管Peter Lamp称,已经获得融资后的Solid Power有望在未来十年内量产电动汽车所需的固态电池。而丰田汽车在固态电池研发上也很有实力,近日,丰田汽车推出的固态电池原型车已经开始测试,并计划2025年左右开始量产。

在国内,也有多家电池企业发力固态电池。目前,已经得到一汽、蔚来、爱驰等车企看好的国内固态电池企业辉能科技,已公布了固态电池发展的时间节点,预计将在2023年进行试产,2024年量产。此外,据称辉能科技的原型固态电池样品已经制成,质量能量密度达到383Wh/kg,体积能量密度为1025Wh/L,循环测试可以做到500次。

涉及固态电池研发的国内上市企业中,大众汽车支持的国轩高科正在推进固态电池及其固态电解质的研究;宁德时代则主攻硫化物固态电池技术;珈伟新能计划生产的类固态电池的工艺体系将用于新能源车动力电池上;万向钱潮、赣锋锂业、天齐锂业、中天科技等企业都在研究固态电池;而南都电源还与辉能科技合作,将建一条1GWh规模的固态电池生产线;德尔股份则正与丰田合作,研发具有行业前列技术水平的全固态电池。

其实,我国的相关政策也支持发展固态电池。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)》中,明确要求“加快固态动力电池技术研发及产业化”。据预测,2020-2030年我国固态电池出货量高速增长,至2030年或将突破250GWh。到2030年,我国固态电池市场空间或将达到200亿元,较2020年实现百倍增长。

目前,从美欧日韩到中国,多家电池企业、车企都在固态电池上进行了大量的投入,甚至将固态电池作为企业自身开发战略的核心。此外,全球资本对各种固态电池公司的投资反映了固态电池的巨大潜力,相关数据显示,到2030年,固态电池的市场将超过60亿美元(约合人民币383亿元)。

“在代表新能源汽车动力电池技术创新发展方向的固态电池方面,率先抢占技术制高点是关键。”厉建平认为。

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