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循环性能高达45000次!固态电池离冲锋上阵还有多久?

日期:2021-11-20    来源:储能头条

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2021
11/20
10:33
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关键词: 固态电池 长城汽车 比亚迪

锂离子电池存在着热失控的风险,对大规模储能技术来说这是巨大的挑战。且从能量密度上讲,大规模提升也存在很大困难。科学家和企业家们从另一个角度入手,于是,固态电池开始应运而生。

技术优势表现何在?

目前固态电池是在锂离子电池技术基础上发展起来的,所以固态电池还有另一个称呼“固态锂金属电池”。达到能力密度高这一要求,核心的原因是不再使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,从而容纳更大的电量。能达到安全要求是因为电解质是固态。传统的液态锂电池又被科学家们形象地称为“摇椅式电池”,而锂离子就像优秀的运动员,在摇椅的两端来回奔跑,在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,完成电池的充放电过程。而固体电解质不具有膨胀收缩,也不流动,相对来说就安全得多。

江苏新能源汽车行业发展研究院研究员厉建平曾这样介绍固态电池的优点:一是更安全,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,全固态电解质电池可以直接使用金属锂来做负极,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-25℃至零上60℃之间安全稳定使用。

全固态Vs混合型之争

今年11月15日,在盐城举行的中国新能源发展论坛储能主题论坛上,中科院物理研究所研究员李泓在主题演讲中介绍了物理所在固态电池方面的方向和成就。李泓说,2010年物理所开发了结合全固态和液态电池优点的混合固液型电池,后来逐步转向全固态。

他说:“我们在开发过程中提出了一种具有原创想法的解决方案,叫做原位固态化。到目前为止全球的大部分固态电池企业没有提出这种方案。这接近于液态电池领域的制造工艺,在电芯之内通过化学反应将液态电解质部分或者全部转化为固态电解质。”

李泓表示:“这种方案更容易规模量产,我们已经积累了八种技术。目前已经开始规模化量产。”

而与之采取相反策略的是SES。SES公司是新加坡的一家电池开发商。其名字SES就来自“ Solid Energy Systems(固态能源系统)”。但在之后的技术路线中,它侧重于混合型电池。就在11月15日,和盐城会议同一天,SES推出了一种名为 Apollo 的新型混合锂金属电池。Apollo的数据是:重量为 0.982 公斤时的能量密度为417Wh/kg,容量应该为107Ah,在不到 15 分钟的时间内快速充电至 80%。

胡启超与他的Apollo

这种电池结合了固体和液体成分,特别是保护性阳极聚合物涂层和“专有的、高浓度的盐中溶剂液体电解质”。

SES 创始人兼首席执行官胡启超在发布Apollo时说:“电池必须能够在很宽的温度范围内提供高能量密度和高功率密度。汽车需要在炎热和寒冷的环境中运行,并在快速和慢速行驶条件下正常运行。在我们的锂金属混合电池水平上,固态电池永远无法达到这种性能。”

目前SES 已经在计划在上海建立一个生产设施。该项目将于 2023 年完成,届时将能够生产总容量为每年1GWh的混合型锂金属电池。

除了SES,浙江锋锂、卫蓝新能源等电池企业也已经将研发重点从全固态电池路线转向固液混合电池上。“固态电池导电率还没有达到液态电池的水平,所以采取折中的办法,也就是固液混合的电解质,或者说是半固态电池,业内大部分企业的固态电池研发都处于这一阶段。”国轩高科高级副总裁徐兴无表示。

固态电池的劣势

固态电池技术是从1978年开始,在全球范围引起关注,就相关的理念和实验认证不断推进。但投入生产,并不是很顺利。企业先驱加拿大Avestor公司曾尝试过研发固态锂电池,但因为技术不成熟,在北美地区发生过几起电池燃烧或者爆炸事件。最终Avestor于2006年正式申请破产。

虽然充放电安全性比液体锂电池安全,但固态电池也面临着自己的一个安全难题:“树枝晶”,这是一种在充电和充电过程中在固态电解液中形成的小裂缝,最终会变得非常大,导致电池短路。如何让固态电池中的材料正确连接并在反复的充电和放电周期中保持稳定,这是科学家们的巨大挑战。

就在今年11月17日,美国有消息传出,橡树岭国家实验室 (ORNL)的科学家表示,他们已经开发出一种可扩展的、低成本的方法来改善固态电池中材料的连接。该过程涉及电化学脉冲,消除了将锂金属阳极材料层与固体电解质材料连接时形成的空隙。研究人员发现,应用短的高电压脉冲导致材料界面上的接触增加,同时没有产生有害的影响。

对于固态电池来说,除了技术,最大的难关是成本的下降。在2018年时,液态锂电池的成本大约在200-300美元/千瓦时,如果使用为智能手机供电的固态电池,其成本会达到1.5万美元,如果为汽车供电,则成本更是高得让人感到不可企及。

目前虽然固态电池成本已经大为下降,但相较液态电池,仍然显得不那么经济。

李泓承认:“全固态电池量产面临的挑战,包括没有形成成熟供应链,材料体系不匹配,固态电池低温性能差,电芯设计解决不了循环过程中的体积变化影响,测试需要较高外部压力,目前电极和电芯没有成熟的规模量产设备。全生命周期的安全性测试和评价不完备,国家级的标准体系没有建立,目前的性价比不清楚。大家都全固态电池的期望很高,也迫切希望尽快量产,但目前还有很多问题需要解决,提高技术的成熟。”

企业在冲锋

科学家在努力克服固态电池面临的技术难题,企业家也在这一方向上狂奔。就国外企业来说,从事研发的主要包括丰田、现代、宝马、大众、福特、戴姆勒等传统企业,也包括SES、QuantumScape、Solid Power和Sakti3这样的初创企业。其中QuantumScape尤其受到追捧,因为其被大鳄索罗斯重金持股。

传统车企多是通过和初创企业进行合作的方式推进固态电池研究。丰田则是一直在自行研发。早在 2010 年,丰田就曾推出过续航里程可超过 1000KM 的固态电池,不过当时只能在实验室里进行测试。2020 年丰田与松下合作成立了一家合资公司,开发生产固态电池。丰田表示,正在概念车上测试固态电池,希望在 2025 年正式量产首款搭载固态电池的汽车。

就国内来说,开发固态电池技术的车企主要包括长城汽车比亚迪、蔚来、北汽蓝谷、天际汽车等。致力固态电池技术开发的电池企业包括辉能科技、厦钨新能源、孚能科技、鹏辉能源、珈伟新能、德尔股份、浙江锋锂、卫蓝新能源等。

长城旗下的蜂巢能源联手中科院设立了固态电池研究中心,计划在 2025 年推出能量密度达 350-500Wh/kg 的固态电池。目前在半固态电池技术方面已经取得了一定的成果,并推出了首款基于无钴材料体系的“不起火、自愈合”的果冻电池。蜂巢能源计划在2030年推出全固态电解质的电池,能量密度在450-500Wh/kg。

比亚迪在今年也公布了固态电池相关产品计划。比亚迪采用锂氧化物作为全固态电池的电解质,这类电解质本身的电导率极低,但比亚迪通过自主开发的专利技术,提高了锂氧化物的电导率和力学强度,使得固态电池具有更加优异的 电池循环性能和高倍率充放电性能。

蔚来是在今年1月9日发布了150kWh 固态电池,并计划于 2022 年第四季度开始交付。该技术采用原位固化工艺的固液电解质,确保电芯安全;使用无机预锂化工艺的硅碳负极,配合纳米级包覆工艺的超高镍正极,可实现50%的能量密度提升,达到 360Wh/kg。搭载 150kWh电池的2018款 ES8 NEDC续航里程超过730公里,全新ES8 NEDC 续航里程超过 850 公里;ES6和EC6的性能版NEDC 续航里程超过 900 公里。蔚来ET7 NEDC 续航里程突破 1000 公里。

蔚来150kWh电池包,采用固态电池技术,单体能量密度360Wh/kg

北汽蓝谷是在去年成功下线了首台固态锂电池样车。该车已完成15000 km的模拟用户道路测试,测试覆盖了用户实际用车的多个场景。今年1月,北汽蓝谷固态电池样车完成极寒环境用户极限工况验证。

天际汽车是通过与辉能科技合作,扩大固态电池生产规模。辉能科技在今年10月29日宣布完成新一轮融资,融资金额为3.26亿美元(约合20.85亿元人民币),投资方包括春华资本、丹丰资本和软银中国。显示了其作为固态电池龙头企业的强大资本吸引力。

此外,跨界造车的富士康提出将在2024年推出第一款纯电动汽车固态电池。11月4日,宁德时代董秘在与投资者互动时表示:“正推进包括全固态电池在内的新型技术布局。”据企查查信息显示,宁德时代及其子公司已申请多项固态电解质相关专利。

显然,固态电池在国内车企和电池企业中是大热点。同时,车企和电池企业的密切合作也显示出,作为车企,愿意等固态电池这一技术成熟化。毕竟这一技术会带来更加安全的驾驶和更长的续航里程。

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