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          全固态还很遥远? 混合固液的半固态或是主流趋势之一
          发布时间:2021-04-01 12:39:35

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          撰稿丨采编部
          编辑丨麦子
          美编丨CBEA独耀


          固态电池到底适不适合车用,想必很多人都不会有所怀疑,在媒体近几年对全固态电池高能量密度、高安全铺天盖地的报道下,固态电池俨然已经成为车用动力的终极选择。

           

          然而,研究越深,越发现固态电池量产应用并没有那么容易。很多专业人士预判,全固态电池可能要10年后才具备完全商业化条件,甚至更远。近日,浙江锋锂新能源科技有限公司(下称“锋锂新能源”)总经理许晓雄更是直言:个人认为,混合固液(半固态电池)可能是车用动力电池的终极路线。

           

          许晓雄解释称,对于电动汽车来说,全固态不一定能用得上,这里面还有很多问题,比如低温性能、成本、规模化量产的装备突破等,目前来看这些点要突破还是挺艰难的,这也是为什么丰田汽车一而再再而三地推迟全固态电池车示范应用的原因。

           

          据悉,丰田汽车计划在今年的奥运会期间,推出固态电池示范车,由于还未公布,所以还不确定其固态电池车配套用的电池到底是全固态,还是半固态电池。

           

          值得注意的是,锋锂新能源是国内最早涉足固态电池研发的企业之一,是赣锋锂业旗下专门研究固态电池的企业。许晓雄本人在固态电池领域的研究已经接近二十年,在博士期间就开始研究锂离子导体固态电解质,在日本留学期间研究方向是硫化物固态电解质与相关固态电池技术研发,后来还在日本NIMS-丰田汽车联合研发中心,以及中科院宁波材料所参与固态电池领域的研发工作。结合其在这一领域的多年研究,其观点可以说具有一定的代表性。

           

          事实上,固态电池自2020年以来特别的火。2020年11月借壳上市的美国固态电池企业Quantum Scape(简称QS),上市后在很短时间内就创造了市值超过1000亿元人民币的奇迹,而其销售额却是0。其股价最高时,市值一度超过3000亿元人民币,也被股民称为电池领域的一支妖股。从这也足可见固态电池有多火。

           

          当然,QS市值高企的背后,除了其可能是最接近量产的固态电池创新企业外,还有大众汽车、上汽集团、大陆集团和比尔·盖茨等优质资本的支持,这些大资本为其背书,也可看到业界对于固态电池的渴求和重视。

           

          除了QS,近两年国内固态电池也被频频热炒,包括辉能科技、清陶能源等几家企业都透露已经具备固态电池生产能力,在能量密度、安全性上有一定优势。

           

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          真正的全固态电池还有漫长的路

           

          在许晓雄看来,全固态锂电池,应该是一种使用固体电极及固体电解质隔膜材料,不含有任何液体的锂二次电池。分类上主要包括全固态锂离子二次电池和全固态金属锂二次电池,两者的差别在于前者负极不含金属锂,后者负极为含锂材料。

           

          许晓雄认为,目前市面上出现的凝胶电解质锂电池,电芯中液态电解质以凝胶态存在,电芯中不含固体电解质,应该属于液态锂离子电池范畴,跟固态锂电池无关。

           

          事实上,固态电池核心技术难点在于电解质。而根据电解质的不同,目前科学界又将固态电池按电解质分为三种类型:聚合物、硫化物和氧化物。基于不同技术体系的固态电解质材料,各具优势和挑战。

           

          其中,氧化物材料的柔韧性比较差,界面接触较差,会导致界面阻抗增加;聚合物则存在着导电率过低的问题,比现在液态电解质的导电率低4-5个数量级;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问题。

           

          尽管有高能量密度、高安全性的突出优势,但就目前业界的研究及研发进展来看,现阶段固态电池在高低温性能、循环寿命、倍率性能、材料成本、加工成本、量产能力等方面都或多或少存在着短时间无法突破的短板,且即便是能量密度可能也无法与现有液态电池相媲美。

           

          所以,能生产出固态电池,性能是否达到人们的期望,是否具备在车用领域商业化应用,这些都是极为关键的标准。如果性能指标还不如现有的液态锂电池,工艺难度、制造成本不具备规模化优势,那么在产业界持续追求低成本、高安全性、高能量密度的背景下,即便量产,可能也只是噱头。

           

          2020年5月,宁德时代董事长曾毓群曾表示,“真正的固态电池是需要用金属锂作负极,这样才能提高能量密度,目前车规级的固态电池在能量密度上还不如我们的(液态)锂离子电池”。此番评论也可看作是对近两年固态电池热的一种回应。

           

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          液态锂电池提升空间仍然很足

           

          目前,以三元和磷酸铁锂材料体系为主的液态锂电池是新能源汽车领域当之无愧的主流电池,而这种趋势预计还会持续十年甚至更久。

           

          现阶段三元材料电池能量密度已经做到250Wh/kg以上(指已量产可商用),甚至已有触及300Wh/kg高点的产品已进入实质化的应用测试阶段。从最近两年新上市的电动汽车来看,续航在500km以上渐成主流,电动汽车的续航焦虑目前已经有较大缓解。

           

          同时,CTP、刀片电池等电池包工艺的创新,也提升了整包电池的带电量,这些都在缓解和消除消费者的里程焦虑。

           

          另一方面,从改进材料体系上来看,三元正极的高镍(以NCM811)及超高镍(镍9系)正在成为电池企业的研发重点,预计接下来一到两年会步入快速量产期;负极层面,掺硅的硅碳负极材料也逐渐有电池、车企开始探索应用。正极、负极材料的升级,正在将三元电池能量密度向350Wh/kg目标推进。

           

          尽管目前这些技术仍未大规模应用,但从宁德时代、LG新能源、松下电池、亿纬锂能、国轩高科、孚能科技等众多头部电池企业的布局和进展来看,预计在未来几年内会陆续落地,并成为主流产品路线之一。高镍、硅碳负极材料的应用将会把电池能量密度拉升一个台阶,可进一步缓解甚至消除消费者的续航里程焦虑。比如今年年初蔚来汽车、智己汽车、广汽埃安都宣称基于硅负极材料的新型液态或半固态电池的车型,续航均超过了1000km,里程焦虑基本已经消除了。

           

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          混合固液的半固态电池,或将是新趋势

           

          从动力电池的技术和市场趋势来看,高能量密度、高安全、低成本是目前衡量电池是否“优良”的三个重要指标。全固态电池有很多优点,但业内人士指出,就目前技术水平来看,很多优点还处于“想象”阶段,要满足上述三个指标的征途还比较漫长。

           

          不过,如果从液态到固液混合态来看,似乎可行度更高。

           

          “(混合态)对现有的锂离子电池产线没有特别大的颠覆,混合固液也适合采用软包叠片的路线,而且装配上与现在的软包液态有极大的兼容性,可能超过80%,剩下20%可以通过现有很多产线改造,不需要大的颠覆就能实现规模化、自动化和高效量产。”许晓雄认为,在未来几年,这种混合固液的半固态电池将是主要趋势之一。

           

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          事实上,今年年初,蔚来汽车发布的半固态电池包,就是这种固液混合的半固态电池:其电芯能量密度已达到360Wh/kg,单包带电量预计达到150kWh;材料体系方面,正极选用的是超高镍,负极为掺硅负极,而电解质是固液电解质;封装形式上采用的是软包结构。

           

          从数据指标上可以看出,蔚来发布的这款半固态电池,能量密度已突破目前液态电池的“天花板”,同时也应用了超高镍、硅负极等液态电池即将迭代应用的材料。

           

          在生产制造工艺上,这种固液电解质电池整个产线与目前现有的软包工艺相比,调整幅度较小,兼容性非常高。综上,从材料成本、制造成本以及生产工艺上都没有较大变化,无论是可行性还是经济性,都具有较好的应用发展趋势。

           

          目前包括蔚来汽车的电池供应商,以及锋锂新能源都在这一领域进行布局,相信还有不少电池企业也已经在固态电池的道路上选择了这样一条可行性和经济性高的技术路线,同时因其能量密度高,安全可靠,预计接下来数年或将成为主流技术路线之一。


          稿件来源: 电池中国网
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