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汽车之家深评:颠覆续航性能 解析固态电池前景

作者:秒速赛车发布时间:2018-09-11 17:52

  总体来看固态电池的发展,电解质可能遵循从液态、半固态、固液混合到固态的路径发展,最后到全固态。笔者认为,2020年前采用高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现300Wh/Kg,2025年前采用富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现400Wh/Kg,2030年前燃料/锂硫/空气电池实现500 Wh/Kg。

  目前,全球范围内约有 20 多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术。2017年,关于固态锂电池分别有1198篇文献与117篇专利。其中1096篇文献集中在金属锂负极、固态电解质,以及固态电解质与正负极界面等基础问题研究,其他有102篇文献探讨了固态锂电池的组装及相关测试结果,以硫系和氧化物电解质的固态锂电池居多。文献方面,中国发表的数量占据第一位,国际发明专利方面则是日本占据一半以上。

  美国Sakti3创办于2008年,号称开发出了能量密度达到1000Wh/kg的固态电池,并称未来实现商业化量产之后,成本只有当前锂电池的20%,可以把搭载其电池的电动汽车成本控制在2.5万美元。2015年Sakti3被戴森以9000万美金的价格全资收购,之后戴森宣布投资14亿美元建造电池厂,发展固态锂电池技术。

  法国博洛雷集团(Bolloré)从2011年就开始尝试固态电池在电动车领域的商业化,其自主研发的电动汽车Bluecar搭载了子公司Batscap生产的30kWh金属锂聚合物电池,续航为120km。大约有2900辆Bluecar投放到了巴黎汽车共享服务项目Autolib,这也是国际上第一个采用固态锂电池的电动汽车案例。

  宁德时代投入固态电池研发已有几年时间,在聚合物和硫化物基固态电池方向分别开展了相关的研发工作。其招股说明书中表明,下一代电池研发重点就是全固态锂电池。但从官方介绍的情况来看,离商业化仍然比较远。在制造工艺方面,宁德时代初步提出以下工艺路线:正极材料与离子导体的均匀混合与涂覆;经过一轮预热压,形成连续的离子导电通道;经过二次涂覆LPS之后,再进行热压,全固态化之后可以去掉孔隙;再涂覆缓冲层后与金属锂复合叠加。

  其中,丰田被认为现阶段硫化物固态电池龙头。其2010年就推出硫化物固态电池,2014年该电池实验原型能量密度达到400Wh/kg。2017年12月,丰田联合松下对外宣布将共同开发全固态电池。根据规划,丰田将在2020年实现硫化物固态电池的产业化。

  从全球范围来看,全固态电池预计会在2020年到2025年开始批量应用。在这个过程中,还有很多的基础科研和工艺技术问题要突破,现在展示了一个希望,从综合指标上看,还不能满足动力电池的技术,希望一步步往前走,逐步改善现有锂电池兼顾能量密度和安全性方面的挑战。我国应加大发展固态锂电池的力度,争取在未来5年内研发出高能量密度、高安全,且综合性能优异的固态锂电池,并推向产业化应用。

  BatScap选择全固态中的聚合物技术路线,正极材料采用LFP,负极材料采用金属锂,电解质采用聚环氧乙烷(PEO),但其Pack能量密度仅为100Wh/kg,且工作温度要求60~80℃,必须持续将电池加热至60°C以上来维持电池内部的导电能力。

  既然固态电池有这么多优点,为什么没有大力推广呢?这是因为固态电解质具有高的电阻,在功率密度方面还存在一些待解决的问题,需要从固态电解质、正负极材料上着手。电导率、电池倍率、电池制备效率、成本控制方面都存在不小的挑战,一旦这些问题能够有效解决,必将在未来掀起一场新的电池革命。

  2017年12月,珈伟股份子公司珈伟龙能发布了其首款快充类固态电池产品。珈伟龙能科技具备一期1亿Wh高性能动力电池,采用类固态快充技术;2018年二期拟再次投产2GWh电池产能。公司生产的电池正极采用改性的铁锂和三元,负极则使用钛酸锂和纳米化的石墨。然而,珈伟股份发布的电池与全固态电池技术不甚相同,此次珈伟股份生产的类固态电池为凝胶状(类固态)电池,采用了隔膜,非完全意义的固态电池。

  近年来,不少汽车厂商都透露过基于固态电池打造电动汽车的计划。例如Fisker申请固态锂电池专利,最高续航800km,充电1分钟、大众计划研发续航1000km固态电池等新闻屡见不鲜。这背后的黑科技--固态电池到底有什么能耐?离实际应用还有多远?我们就来具体聊一下固态电池的现状和前景。

  成立于2007年的SEEO是美国劳伦斯伯克利国家实验室唯一授权拥有核心专利的电池公司,2015年博世(BOSCH)收购美国SEEO,并与日本GS YUASA(汤浅)公司、三菱重工共同建立了新工厂,主攻固态阳极锂离子电池。当时SEEO开发的固态电池就已实现350Wh/kg的能量密度,约是同等体积锂电池的两倍能量。但在2018年初,由于博世的战略变化,不再自行生产电池,也就宣告放弃对SEEO的投入。

  国轩高科固态电池的研发主要在海外进行,2018年2月,国轩高科透露正在美国和日本分别开发下一代动力电池生产技术工艺与生产设备,相关产品将使用半固态电池技术。目前,国轩高科半固态电池技术已处于实验室向中试转换阶段,计划2019年建设中试线月,赣锋锂业通过引进宁波材料所的固态电池博士团队,正式切入固态电池板块,目标在3年内实现固态电池产业化。随后,赣锋锂业公告称将投资2.5亿元,于2018年底建成亿瓦时级第一代固态锂电池生产线亿元固态电池销售,并分别推动二代固态锂电池技术成熟,实现三代固态锂电池可研。根据测算,赣锋锂业生产的第一代固态锂电池电芯的能量密度可达240Wh/kg,按照单车500kg电池组估算,80kWh的电量可以实现480km的续航,且千次循环后最大电量仍有90%,充电仅需12分钟充满。

  目前,动力电池全球化竞争日益激烈,虽然中国企业在本轮竞争中占据了市场规模优势,但欧美、日韩等企业已经在为下一阶段做布局,是潜在的强大竞争者。有不少专家呼吁建议,应该关注固体电池发展的问题。尽管目前固态电池还多处于试验阶段,离走向产业化还有一定时间。但为了抢占未来发展的制高点,各企业对固态电池的研发已快马加鞭,市场需求或推动固态电池量产提前。

  电解质材料是全固态锂电池技术的核心,目前固态电解质的研究主要集中在三大类材料:聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高温性能好,已经有商业化的应用案例;氧化物循环性能良好,适用于薄膜柔性结构;硫化物电导率最高,是未来主要方向。

  按照《中国制造2025》确定的技术目标,2020年锂电池能量密度到300Wh/kg,2025年能量密度达到400Wh/kg,2030年能量密度达到500Wh/kg。但是基于高镍三元+硅碳负极材料,现有体系的锂电池的能量密度很难突破300Wh/kg。而固态锂电池的能量密度大约为传统锂电池的2.5-3倍,且杜绝了电池破裂或高温等意外带来的燃烧隐患。

  比亚迪2016年中期业绩会议透露,公司认为固体电池将是锂电池未来的方向,已经在尝试小规模使用,并确定将在未来10年,最快5年内提供该类型产品。2017年8月,比亚迪申请了一种全固态锂离子电池正极复合材料及一种全固态锂离子电池的发明专利。

  2018年6月,日本经济产业省与日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)宣布启动新一代高效电池全固态电池核心技术的开发。该项目预计总投资100亿日元(约合5.8亿元人民币),丰田、本田、日产、松下等23家汽车、电池和材料企业,以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将共同参与研究,计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术,到2030年前后将每千瓦时电池组的成本降至锂电池的三分之一左右,将快速充电时间也缩短至三分之一(10分钟)。

  中国固态锂电池处于基础研发阶段,清华大学、北大深圳研究院、电子科大、国防科大、中科院物理所、化学所、宁波材料所、青岛能源所、上海硅酸盐所等单位已开始固态锂电池关键材料、固态锂电池制造装备及电芯制造技术的研发。同时,国内锂电池材料及电芯优势企业,如宁德时代、比亚迪、中航锂电、贝特瑞、力神、赣锋锂业等,也已开始布局固态锂电池技术开发。