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传统锂电池5年将达到性能极限 长线布局首选固态

来源:未知 时间:2018-11-20 17:08
动力电池是新能源汽车的心脏,动力电池性能对整车性能起着决定性的作用。
在当前锂离子电池体系下,依靠高镍三元正极、硅碳负极和电解液的组合将在3—5年内达到性能极限(能量密度上限350Wh/kg),但仍无法彻底满足动力电池对安全性、能量密度与成本的要求。
而由于固态电池在安全性与能量密度方面具备更大潜力,近年来受到了学术界与产业界的广泛关注。
今天我们就来对固态电池的原理、优点、研发现状、前景等方面进行系统的了解,揭示重视固态电池的必要性。
固态锂电池VS传统锂电池
固态锂电池指电池电解质部分采用固态材料的锂二次电池。固态电池与传统锂离子电池不同在于固态电池以固态电解质替代了传统锂离子电池的电解液、电解质盐、隔膜。
一直以来,安全性、能量密度和循环寿命是对动力电池的三大要求。由于固态电池在这三方面均具备优于传统锂离子电池的潜力,因此也被视为下一代电池技术:
固态电池优点一:安全性高,无自燃、爆炸风险。采用有机电解液的传统锂离子电池,在过度充电、内部短路等异常情况下容易导致电解液发热,有自燃甚至爆炸的危险。全固态锂电池基于固态材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,且有望克服锂枝晶现象。半固态、准固态电池仍存在一定的可燃风险,但安全性也较液态电解液电池提高。
固态电池优点二:能量密度高,有望彻底解决电动汽车里程焦虑。目前,技术体系下锂离子电池已经接近性能极限,特斯拉NCA18650电芯能量密度达到250Wh/kg,应用于Model 3的21700电芯能量密度约300Wh/kg,支持的续航里程约400至500公里,仍无法彻底解决里程焦虑。
而对于固态电池而言,一方面固态电解质无需隔膜与电解液,这两部分在传统锂离子电池中加起来占据近40%的体积和25%的质量,另一方面由于没有漏液、腐蚀等问题,可以简化电池外壳及冷却系统模块,进一步减轻电池系统重量。此外,配套新的正负极材料可以使得电化学窗口达到5V以上,可以从根本上提高能量密度,有望达到500Wh/kg,同等电池容量的情况下有望将续航里程提高到600至700公里。
此外,固态电池还具有循环寿命长、工作温度范围宽、可快速充电等优点。
按照电解质材料的不同,固态电池可以分为聚合物、氧化物和硫化物三大体系。其中聚合物电解质属于有机电解质,氧化物和硫化物属于无机陶瓷电解质。总体来说,聚合物电解质技术最成熟,已经率先实现小规模量产,但是理论能量密度不及其他两类电解质;氧化物电解质性能优于聚合物电解质,但薄膜型氧化物电池容量较小、只能应用于消费类电子领域,非薄膜型氧化物电池技术相对还不够成熟;硫化物电解质理论上最适合于电动汽车领域,但是开发难度最大。
按照正负极材料的不同,固态电池还可以进一步分为固态锂离子电池(沿用当前锂离子电池材料体系,如石墨+硅碳负极、三元正极等)和固态锂金属电池(以金属锂为负极)。由于固态锂离子电池与当前的电池体系最为接近,日韩本身又拥有成熟的锂电产业链,因此目前日韩企业大多采用硫化物+固态锂离子电池的路线。而欧美初创企业则立足于颠覆性的技术,大多采用聚合物/氧化物+固态锂金属电池的路线。
国外企业布局情况
整车企业在固态电池领域的布局可以分为内部研发和对外投资两类。前者以丰田为代表,后者以宝马、大众为代表。可以看到2017年以来不论是哪种路线,整车企业的动作都有所加快,而造成两者策略差异的主要原因在于整车企业前期积累的多少。
丰田历来在电池技术上有着深厚的积累。从普锐斯镍氢电池到Mirai燃料电池,丰田都是业界最早将新能源技术应用于整车层面的车企。
在固态电池领域,丰田目前凭借三方面战术进一步巩固先发优势:
1.内部研发积累大量专利,在新技术上有绝对的自主权,同时丰田表示将在2030年之前投资在相关电池研发的资金可能超过130亿美元;
2.由日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)牵头投资100亿日元,丰田、本田、日产、松下等23家日本汽车、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;
3.与松下合作固态电池研究,从不同层面去研究和解决问题,为第四代电芯小规模量产打基础。
从技术路线上来看,丰田主要是基于固态锂离子电池,采用石墨类负极、硫化物电解质与高电压正极的组合,并计划于2022年实现商品化。但是丰田固态电池目前的主要问题在于循环寿命还较短(小于3年),这也是丰田下一阶段的研发重点。
以大众、宝马为代表的车企在固态领域的积累不及丰田,但是近年来明显加快了布局的步伐。2017年底宝马与Solid Power建立合作伙伴关系共同研发固态电池,2018年中大众向Quantum Scape投资1亿美元,并计划在2025年实现固态电池量产。与此同时,宝马还投资2亿欧元在慕尼黑建立电芯研发中心,开始涉及电芯级别的技术验证和开发。与丰田主要依靠内部研发不同,对于大众、宝马等德系车企来说,投资初创企业快速获取固态电池的相关专利、同时通过内部研究加深对下一代电池技术的理解,是一条效率更高的道路。
不过也并非所有企业都在进军固态电池领域。特斯拉作为电动汽车同时也是动力电池的领军者,目前还没有在固态电池方面拥有一件专利。检索与特斯拉相关的专利数据,可以发现特斯拉在电池领域总共拥有244件专利,但主要集中在电池系统、电池包和充电领域,而在材料方面专利较少。尽管马斯克曾表示固态电池“有一定前景”,但是距离技术成熟还需要时间,目前也不足以“改变特斯拉的战略”。
特斯拉的Model 3车型采取了以NCA为正极材料的松下21700圆柱型电池,电芯能量密度可以达到300Wh/kg,甚至超过了部分半固态锂离子电池。特斯拉目前的如意算盘仍然是在2020年坚持目前的材料体系并通过Gigafactory的扩产来快速降低电池成本,进一步扩大在这一代电池技术上的优势。
此外,作为全球最大的汽车零部件供应商,博世在今年年初宣布放弃对电池生产环节的投资,并出售了之前收购的从事固态电池研发的子公司SEEO。博世仍然看好固态电池的技术方向,但是对于重资产的生产环节进行投资非常谨慎。博世预计投资建设200GWH的动力电池产能(20%市场份额)需要200亿欧元左右的投资,而制造成本中接近3/4都是材料成本,不利于发挥竞争优势。因此博世的态度是“需要了解电池技术,但不必亲自制造电池。”
另外,电池初创企业也是一股新生力量,在固态电池领域受关注度较高的初创企业主要有SEEO、Sakti 3、Solid Energy、Quantum Scape。
从融资情况来看,SEEO获得了三星等公司的投资,Sakti 3获得了由通用汽车公司为首的共计2000万美元的投资,Solid Energy则获得了通用汽车和上汽等公司的1200万美元投资。今年6月Quantum Scape获得德国大众汽车公司1亿美元的投资。
这些初创企业大多由美国顶尖高校的研究人员创办,它们选择的电解质主要可以分为聚合物、氧化物两大体系。
SEEO通过和劳伦斯伯克利国家实验室共同研发Dry Lyte(一种可以循环使用>2000次的固态电解质/隔膜),于2012年将该技术应用于(Li/LFP)电池;2016年,通过开发NCx系统、新的锂箔净化和轧制方法,SEEO规划在未来3年扩大量产规模和提升电池能量密度(达到450Wh/kg即大于30Ah)。
Solid Energy起步晚但公司采用了折中的半固态电解质+锂金属负极路线,其独特之处在于:
1.采用突破性的固体保护涂层(阳极-裂解物)组成了聚合物和无机材料,这种固体保护涂层直接应用到经过表处理的锂金属阳极上可以用来抑制锂枝晶的生长。它具有高锂离子导电率但是与液体电解质不混溶;
2.采用革命性的液体电解质(阴极-裂解物)具有高锂电镀和剥离效率、在高压阴极有高氧化稳定性并且能降低溶剂挥发性;
3.采用一种创新的电池组装工艺可以最大限度地提高电池能量密度,解决循环过程中的体积膨胀问题,并且使得锂金属可以通过现有的锂离子电池基础设施被规模化地制造出来。
2017年Solid Energy从航空航天领域入手推出容量为3Ah的Hermes TM电池,质量和体积能量密度分别达到450Wh/kg和1200Wh/L,目前以每月5000个电池的速度量产,并且通过了第三方的检测。
氧化物电解质体系主要分为薄膜型和和非薄膜型。薄膜型固态电池以Sakti 3为代表。这一类电池具有良好的倍率及循环性能,但是电池容量较小,目前仅能用于消费电子类产品。Sakti 3目前也被英国家电巨头Dyson收购。非薄膜型固态电池以Quantum Scape为代表。这一类电池整体性能指标较为均衡,离子电导率高于聚合物电解质、电池容量大、可量产,是理想的电解质材料之一。目前Quantum Scape正在与大众合作推进固态电池的产业化。
国内固态电池进展
国内固态电池研发主要依托于中科院等科研机构,不过近几年部分企业开始尝试进行科研成果的产业转化,例如赣锋锂业与中科院宁波材料所许晓雄团队合作、中科院物理所与卫蓝新能源合作等。总体来看,国内的固态电池研发呈现较为分散的格局,而且国内产业界(包括整车企业与电池企业)在固态电池领域的积累远不及丰田等国外竞争对手。
中科院青岛能源所储能院崔光磊团队长期从事复合聚合物固态电解质研究,目前已研制出全海深高能量密度高安全固态锂电池动力系统,能量密度达300Wh/kg,并且在马里亚纳海沟完成1万米的高压环境下完成深海测试。
中科院宁波材料所许晓雄团队从事氧化物与硫化物固体电解质研究,已经开发出能量密度达到260Wh/kg的10Ah固态单体电池。借助宁波材料所的技术,江西赣锋锂业在宁波当地投资5亿元人民币筹建亿瓦时固态动力锂电池生产线。第一代固态锂电池技术通过中汽研汽车检验中心检验,放电容量约13Ah,能量密度约245Wh/kg,循环1000次后容量保持率大于90%。
(责任编辑:子蕊)