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      2. 全固態還很遙遠? 混合固液的半固態或是主流趨勢之一
        發布時間:2021-04-01 12:39:35

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        撰稿丨采編部
        編輯丨麥子
        美編丨CBEA獨耀


        固態電池到底適不適合車用,想必很多人都不會有所懷疑,在媒體近幾年對全固態電池高能量密度、高安全鋪天蓋地的報道下,固態電池儼然已經成為車用動力的終極選擇。

         

        然而,研究越深,越發現固態電池量產應用并沒有那么容易。很多專業人士預判,全固態電池可能要10年后才具備完全商業化條件,甚至更遠。近日,浙江鋒鋰新能源科技有限公司(下稱“鋒鋰新能源”)總經理許曉雄更是直言:個人認為,混合固液(半固態電池)可能是車用動力電池的終極路線。

         

        許曉雄解釋稱,對于電動汽車來說,全固態不一定能用得上,這里面還有很多問題,比如低溫性能、成本、規?;慨a的裝備突破等,目前來看這些點要突破還是挺艱難的,這也是為什么豐田汽車一而再再而三地推遲全固態電池車示范應用的原因。

         

        據悉,豐田汽車計劃在今年的奧運會期間,推出固態電池示范車,由于還未公布,所以還不確定其固態電池車配套用的電池到底是全固態,還是半固態電池。

         

        值得注意的是,鋒鋰新能源是國內最早涉足固態電池研發的企業之一,是贛鋒鋰業旗下專門研究固態電池的企業。許曉雄本人在固態電池領域的研究已經接近二十年,在博士期間就開始研究鋰離子導體固態電解質,在日本留學期間研究方向是硫化物固態電解質與相關固態電池技術研發,后來還在日本NIMS-豐田汽車聯合研發中心,以及中科院寧波材料所參與固態電池領域的研發工作。結合其在這一領域的多年研究,其觀點可以說具有一定的代表性。

         

        事實上,固態電池自2020年以來特別的火。2020年11月借殼上市的美國固態電池企業Quantum Scape(簡稱QS),上市后在很短時間內就創造了市值超過1000億元人民幣的奇跡,而其銷售額卻是0。其股價最高時,市值一度超過3000億元人民幣,也被股民稱為電池領域的一支妖股。從這也足可見固態電池有多火。

         

        當然,QS市值高企的背后,除了其可能是最接近量產的固態電池創新企業外,還有大眾汽車、上汽集團、大陸集團和比爾·蓋茨等優質資本的支持,這些大資本為其背書,也可看到業界對于固態電池的渴求和重視。

         

        除了QS,近兩年國內固態電池也被頻頻熱炒,包括輝能科技、清陶能源等幾家企業都透露已經具備固態電池生產能力,在能量密度、安全性上有一定優勢。

         

        01

        真正的全固態電池還有漫長的路

         

        在許曉雄看來,全固態鋰電池,應該是一種使用固體電極及固體電解質隔膜材料,不含有任何液體的鋰二次電池。分類上主要包括全固態鋰離子二次電池和全固態金屬鋰二次電池,兩者的差別在于前者負極不含金屬鋰,后者負極為含鋰材料。

         

        許曉雄認為,目前市面上出現的凝膠電解質鋰電池,電芯中液態電解質以凝膠態存在,電芯中不含固體電解質,應該屬于液態鋰離子電池范疇,跟固態鋰電池無關。

         

        事實上,固態電池核心技術難點在于電解質。而根據電解質的不同,目前科學界又將固態電池按電解質分為三種類型:聚合物、硫化物和氧化物?;诓煌夹g體系的固態電解質材料,各具優勢和挑戰。

         

        其中,氧化物材料的柔韌性比較差,界面接觸較差,會導致界面阻抗增加;聚合物則存在著導電率過低的問題,比現在液態電解質的導電率低4-5個數量級;硫化物固態電池則面臨電解質對空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規?;a技術不成熟等問題。

         

        盡管有高能量密度、高安全性的突出優勢,但就目前業界的研究及研發進展來看,現階段固態電池在高低溫性能、循環壽命、倍率性能、材料成本、加工成本、量產能力等方面都或多或少存在著短時間無法突破的短板,且即便是能量密度可能也無法與現有液態電池相媲美。

         

        所以,能生產出固態電池,性能是否達到人們的期望,是否具備在車用領域商業化應用,這些都是極為關鍵的標準。如果性能指標還不如現有的液態鋰電池,工藝難度、制造成本不具備規?;瘍瀯?,那么在產業界持續追求低成本、高安全性、高能量密度的背景下,即便量產,可能也只是噱頭。

         

        2020年5月,寧德時代董事長曾毓群曾表示,“真正的固態電池是需要用金屬鋰作負極,這樣才能提高能量密度,目前車規級的固態電池在能量密度上還不如我們的(液態)鋰離子電池”。此番評論也可看作是對近兩年固態電池熱的一種回應。

         

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        液態鋰電池提升空間仍然很足

         

        目前,以三元和磷酸鐵鋰材料體系為主的液態鋰電池是新能源汽車領域當之無愧的主流電池,而這種趨勢預計還會持續十年甚至更久。

         

        現階段三元材料電池能量密度已經做到250Wh/kg以上(指已量產可商用),甚至已有觸及300Wh/kg高點的產品已進入實質化的應用測試階段。從最近兩年新上市的電動汽車來看,續航在500km以上漸成主流,電動汽車的續航焦慮目前已經有較大緩解。

         

        同時,CTP、刀片電池等電池包工藝的創新,也提升了整包電池的帶電量,這些都在緩解和消除消費者的里程焦慮。

         

        另一方面,從改進材料體系上來看,三元正極的高鎳(以NCM811)及超高鎳(鎳9系)正在成為電池企業的研發重點,預計接下來一到兩年會步入快速量產期;負極層面,摻硅的硅碳負極材料也逐漸有電池、車企開始探索應用。正極、負極材料的升級,正在將三元電池能量密度向350Wh/kg目標推進。

         

        盡管目前這些技術仍未大規模應用,但從寧德時代、LG新能源、松下電池、億緯鋰能、國軒高科、孚能科技等眾多頭部電池企業的布局和進展來看,預計在未來幾年內會陸續落地,并成為主流產品路線之一。高鎳、硅碳負極材料的應用將會把電池能量密度拉升一個臺階,可進一步緩解甚至消除消費者的續航里程焦慮。比如今年年初蔚來汽車、智己汽車、廣汽埃安都宣稱基于硅負極材料的新型液態或半固態電池的車型,續航均超過了1000km,里程焦慮基本已經消除了。

         

        03

        混合固液的半固態電池,或將是新趨勢

         

        從動力電池的技術和市場趨勢來看,高能量密度、高安全、低成本是目前衡量電池是否“優良”的三個重要指標。全固態電池有很多優點,但業內人士指出,就目前技術水平來看,很多優點還處于“想象”階段,要滿足上述三個指標的征途還比較漫長。

         

        不過,如果從液態到固液混合態來看,似乎可行度更高。

         

        “(混合態)對現有的鋰離子電池產線沒有特別大的顛覆,混合固液也適合采用軟包疊片的路線,而且裝配上與現在的軟包液態有極大的兼容性,可能超過80%,剩下20%可以通過現有很多產線改造,不需要大的顛覆就能實現規?;?、自動化和高效量產?!痹S曉雄認為,在未來幾年,這種混合固液的半固態電池將是主要趨勢之一。

         

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        事實上,今年年初,蔚來汽車發布的半固態電池包,就是這種固液混合的半固態電池:其電芯能量密度已達到360Wh/kg,單包帶電量預計達到150kWh;材料體系方面,正極選用的是超高鎳,負極為摻硅負極,而電解質是固液電解質;封裝形式上采用的是軟包結構。

         

        從數據指標上可以看出,蔚來發布的這款半固態電池,能量密度已突破目前液態電池的“天花板”,同時也應用了超高鎳、硅負極等液態電池即將迭代應用的材料。

         

        在生產制造工藝上,這種固液電解質電池整個產線與目前現有的軟包工藝相比,調整幅度較小,兼容性非常高。綜上,從材料成本、制造成本以及生產工藝上都沒有較大變化,無論是可行性還是經濟性,都具有較好的應用發展趨勢。

         

        目前包括蔚來汽車的電池供應商,以及鋒鋰新能源都在這一領域進行布局,相信還有不少電池企業也已經在固態電池的道路上選擇了這樣一條可行性和經濟性高的技術路線,同時因其能量密度高,安全可靠,預計接下來數年或將成為主流技術路線之一。


        稿件來源: 電池中國網
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