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固态电池量产难度大在哪儿

作者:万仁美 来源:中国汽车报 发布时间:2022-07-20 浏览:

中国储能网讯:固态电池不仅具有高安全、高能量密度,而且高低温性能也很优良,种种优势让人们对其充满憧憬。固态电池的概念提出已有一段时间,但一直没能量产,时间表可谓一拖再拖。此前,在全球范围内,屡次有企业传出固态电池的最新研发进展,但消息曝光后就又没了下文。

最近,少数企业的半固态电池开始装车应用,人们为之感到欢欣鼓舞的同时也在感叹,固态甚至是半固态电池的规模化量产为何这么难?中南大学冶金学院教授张永柱告诉《中国汽车报》记者,衡量一款动力电池能否量产,主要衡量5项指标,能量密度、充放电倍率性能、成本、安全性和循环寿命。动力电池的实验室研究成果,一般在某个阶段取得一个或几个指标上的重大突破,同时满足5项指标要求才能量产,这个难度相当大。

固态电池被寄予厚望

三元锂电池因为能量密度高于磷酸铁锂电池而受到行业的追捧。近几年来,随着镍含量不断提高,三元锂电池的能量密度不断刷新纪录,达到300Wh/kg已不稀奇。然而,从理论上讲,液态动力电池的能量密度越高,安全性越差。

尽管三元锂电池的能量密度较高,在研发人员的不断挖掘下,其“天花板”也开始显现出来。国家“863计划”节能与新能源汽车重大项目总体专家组专家肖成伟曾表示,高镍材料、碳硅负极的锂离子电池单体能量密度最高应该在300Wh/kg左右,正负不超过20Wh/kg。这意味着三元锂电池提高镍含量从而提升能量密度,不是未来长久的技术方向。

固态电池用锂金属代替石墨,不仅能量密度远超三元锂电池,体积也大幅缩小。张永柱告诉记者,从理论上看,固态电池的能量密度可以达到液态电池的10多倍,充电速度也能提高数十倍。

中国电动汽车基础设施促进联盟(以下简称“充电联盟”)的调查数据显示,高达87.9%的用户充电时,选择120kW及以上的大功率充电设施,而60kW以下的充电设施用户选择率仅为1.6%。充电联盟信息部主任仝宗旗向记者介绍说,电动车主的焦虑已从续驶里程转向了充电便利性。固态电池凭借优越的快充性能,车主们不再需要苦等数小时才充满电,届时电动汽车充电将像传统汽车加油一样便捷。

目前,社会上偶有电动汽车起火燃烧的新闻,面对烧成空壳的车辆,任何一位车主心里都不好受。虽然电动汽车在使用环节成本较低,但动力电池的安全性让部分车主担忧。固态电池高安全性的特点将为电动汽车“正名”。

量产难度大在哪儿

不过,来自实验室的亮眼数据需要走向量产,才能真正让企业和消费者受益。目前,市面上还没有一款实现量产的固态电池。中科院物理所研究员李泓表示,固态电池有不同的技术路线,它们分别面对不同的难题。解决了这些问题,其实现性能指标的障碍将被扫除。

据介绍,硫化物电解质空气稳定性极差,当其暴露于空气中就会产生有毒气体H₂S,同时伴随着电解质结构的破坏和电化学性能的衰减,这导致了硫化物电解质的合成、储存、运输和后处理过程严重依赖惰性气体或干燥室,大大增加了生产成本。大多数氧化物电解质具有较宽的电化学稳定“窗口”和更好的氧化稳定性,但为了保证刚性氧化物电解质与阴极材料的界面良好接触,往往需要高温烧结,这会导致严重的界面化学副反应。另外,有些氧化物电解质还存在锂枝晶生长的问题。聚合物电解质在室温条件下,离子电导率较低,这使得聚合物固态电池充电需要在高温环境下完成,极大地限制了商业化。

硫化物、氧化物、聚合物是以往较多被人们提起的三条固态电池技术路线。李泓告诉记者,近两年来,金属卤化物电解质由于具有宽电化学稳定“窗口”、良好的离子导电率以及与氧化物正极材料的高相容性等优点而受到越来越多的关注。但是,金属卤化物电解质也有难题需要解决,目前大多数高离子电导金属卤化物电解质的合成,都需要昂贵和稀缺的元素,极大地限制了金属卤化物固态电池的成本降低。

这样看来,固态电池产业化困难重重。有些研究人员认为,固态电池商业化不能一步到位,研发及量产应分成多个步骤推进。宁德时代21C创新实验室前瞻技术部部长郭永胜表示,按照正负极来分,固态电池可分成三代。第一代,正负极与以前一样,现有的液态电解液换成固态电解质;第二代,正极不变,改变负极,负极不用石墨或硅,用金属锂替代从而提升能量密度;第三代,正负极都改变,比如负极用金属锂,正极换成不含锂的高能量材料。

按照这样的划分,计划几年之后上市的奔驰EQG长续航版将搭载的是硅阳极固态电池。据外媒报道,硅阳极固态电池的能量密度将高达800Wh/L(约400Wh/kg)。

行业人士曾对固态电池的经济性进行过分析,相比于现有的锂电池,固态电池没有优势。一是原材料的成本太高,比如,锂硫化物的价格是碳酸锂的5~10倍。目前,碳酸锂的价格已超过50万元/吨,疯狂上涨的碳酸锂成本迫使汽车企业不得不多次提高产品售价,而更高价格的锂硫化物恐怕会让它们望而却步;二是固态电池对于生产环境与原材料纯度的要求太高,这导致生产工艺要求极其苛刻,生产成本大幅度提高。现有动力电池对生产车间温度及温度控制有着较高要求,导致企业投资建设生产基地动辄需要上百亿元。这也意味着,企业收回成本的周期将加长。

应举全力支持发展

日本企业在普通油电混合动力技术和市场化上领先全球,但在电动汽车发展上的表现并不突出。松下专注三元锂电池的研发生产,日产推出了聆风,其他企业虽有少量电动汽车投放市场,但并没有作为主打产品。总体上,日本汽车产业在电动汽车推广上并不处于全球前列。为了摆脱这种境遇,日本汽车企业想在固态电池上打翻身仗一鸣惊人。

2018年,日本新能源产业技术开发机构曾宣布,丰田、本田、日产、松下等23家汽车、电池和材料公司以及京都大学和日本物理化学研究所等15个学术机构将联合研发下一代电动汽车固态锂离子电池,该项目预计总投资额为100亿日元(约5.8亿元人民币)。

不仅日本汽车行业,欧洲、美国、韩国企业都对抢占固态电池这一新能源汽车未来的制高点寄予厚望。李泓说:“欧洲、日本、美国、韩国在固态电池领域都已启动重大项目,投入巨资增强研发,政府和社会资本积极参与,未来的竞争将更加激烈。”

李泓认为,固态电池的研发涉及多学科,我国需要加强对高通量计算、大尺度动力学计算、材料力学、人工智能、高空间时间分辨多尺度在线检测分析方法、电池材料精准制备、新一代的固态电池材料及电池设计与制造方法、热失控条件与机理,以及创新材料体系和电芯设计的研究;需要借鉴类似欧、美、日的做法,建立国家级的先进固态电池创新中心、产学研联盟,充分利用国家实验室、国家重点实验室、龙头企业和初创企业研发中心的研发能力,共同推动固态电池的原始创新和基础科学问题的深入研究,为我国在这一动力电池“兵家必争之地”继续取得优势奠定基础。

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