我們所期待的動力
電池技術革命,似乎馬上就要來了。目前來看,最靠譜的只有固態(tài)
電池,但它依舊充滿了技術挑戰(zhàn)。
而在近日,豐田汽車公開表示,豐田即將于2021年正式亮相固態(tài)電池及相關技術;至于正式量產上市時間,目前尚未得到確認。其實豐田的固態(tài)電池是想在東京奧運會期間亮相,從而應用于奧運會期間的服務車輛,但由于疫情原因導致奧運會推遲一年,豐田也不得不將此計劃順延至2021年。
目前幾乎所有的純
電動車型全部使用的都是液態(tài)鋰離子電池,盡管它們可以提供合理的續(xù)航里程和可接受的充電時間,但它們無法與固態(tài)電池所承諾的可能性相提并論。
固態(tài)電池“你是誰?”
所謂的固態(tài)電池,最基本的區(qū)別從字面可以理解。固態(tài)電池電解質為固態(tài),相當于鋰離子遷移的場所轉到了固態(tài)的電解質中。而傳統(tǒng)鋰電池采用的是液態(tài)電解質,是可以流動的。
目前可以確定的是,固態(tài)電池將會是下一代鋰電技術的頂點,只要將其攻破,動力電池的進步將是顛覆性的,而問題的核心就在于電解質。雖然在工作原理上,與傳統(tǒng)的鋰電池并無區(qū)別。但是仔細來看,差別又是巨大的,也正是這些“差別”讓固態(tài)電池的優(yōu)勢變得十分突出。
很明顯,從化學性質上,固態(tài)肯定要比液態(tài)來的穩(wěn)定,因此在安全性方面,固態(tài)電池具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發(fā)的特性,如此一來,傳統(tǒng)鋰電池的安全問題直接就被解決了。
目前,傳統(tǒng)鋰電池的能量密度最高可以達到300-400Wh/kg,固態(tài)電池可提供的能量密度可以達到傳統(tǒng)鋰電池的兩倍左右?梢姽虘B(tài)電池擁有更高的能量密度,足以解決新能源汽車的續(xù)航問題。
同時固態(tài)電池在重量方面的優(yōu)勢也十分明顯,其對空間環(huán)境要求并沒有那么高。最重要的一點就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極,通過直接使用金屬鋰來做負極,從而減輕負極材料的用量,加上簡化封裝、冷卻系統(tǒng)、縮小空間等方式都能減少電池重量。同時在使用壽命方面,固態(tài)電池在理想情況下,能夠達到45000次左右的循環(huán)次數。
固態(tài)電池“難”在哪兒?
目前,固態(tài)電池存在的技術難點有三,一是固態(tài)電解質材料的鋰離子電導率偏低。
現在有三種固態(tài)電解質,分別為聚合物電解質、氧化物電解質、硫化物電解質。聚合物電解質需要在60度的溫度下才能正常工作。氧化物電解質的鋰離子電導率比液態(tài)的還要低很多。相對于氧化物,硫化物由于相對較軟,更容易加工,通過熱壓法可以制備全固態(tài)鋰電池,但還存在空氣敏感,容易氧化,遇水容易產生硫化氫等有害氣體的問題。
再有就是固跟固界面接觸性和穩(wěn)定性差。液體跟固體結合是很容易的,但是固體和固體接觸性和穩(wěn)定性就不是太好,這是固態(tài)電解質鋰電池很大的一個問題。最后就是制造成本偏高,固態(tài)電池制備工藝復雜,且固體電解質較貴,現階段固態(tài)動力電池的成本普遍偏高。
賽道很寬,潛力巨大
目前為止,固態(tài)電池并沒有實現大面積的生產以及應用,一切都只是最初的試驗階段,沒有實行大規(guī)模的商業(yè)化,但是以現在的發(fā)展趨勢,固態(tài)電池的量產已經指日可待。
根據相關機構預測,全球固態(tài)鋰電池的需求量在2021年、2025年、2030年分別有望達到1.7GWh、44.2GWh、494.9GWh,2030年全球固態(tài)電池市場份額有望達到1500億元以上。目前,固態(tài)電池市場的競爭主要集中在歐美、日本、中國這三大區(qū)域。
日本方面,首當其沖的就是豐田了,而且在固態(tài)電池方面的研發(fā)起點相對比較早。早在08年就與伊利卡固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司展開了合作。2019年,宣布與松下合作,而且是以合資公司的形式,深度綁定利益,畢竟松下電池是距離固態(tài)電池量產落地最近的供應商之一,豐田絕對不能讓它跑了。
最近豐田方面也希望成為全球首家量產搭載固態(tài)電池汽車的廠商,將于明年推出原型車,在2021-2030這個十年的初期開始面向市場銷售。據了解,汽車搭載以后充滿電只需要10分鐘,相比于傳統(tǒng)電動汽車縮減了至少三分之二。
與此同時,三菱、日產也在布局固態(tài)電池的相關產業(yè)。其中,日產汽車也計劃打造自己的固態(tài)電池汽車,希望在2028年前推出實車。
韓國方面,依舊是兩大企業(yè)LG化學和三星SDI。目前來看,LG電池事業(yè)分拆完成,LG Energy Solution(LG能源解決方案)正式成立。LG能源解決方案表示,將加速全固態(tài)電池和鋰硫電池等新一代電池技術的開發(fā),制定戰(zhàn)略,實現可持續(xù)增長。
今年3月,三星稱,公司新研發(fā)的全固態(tài)電池能夠實現900Wh/L高能量密度,電池一次充電后可讓汽車行駛800公里。
歐美的話,以大眾集團支持的固態(tài)電池初創(chuàng)公司QuantumScape為主力,正在開發(fā)一種“無陽極”的固態(tài)電池。而這種全新的理念,完全區(qū)別于常規(guī)固態(tài)電池結構,不僅僅提高了能量密度,還降低了生產時的材料成本,簡化制造流程,且由于固態(tài)分離器的不可燃特性,即便是在高溫環(huán)境下依然具有非常好的安全性能。
國內來看,寧德時代、國軒高科、蜂巢等鋰電企業(yè),以及比亞迪、蔚來、北汽集團、長城汽車等車企都有參與固態(tài)電池研究,其中最為“激進”的便是國軒高科。在今年9月國軒高科表達了公司在固態(tài)電池方面的布局,2022年開始進行固態(tài)電池技術的迭代升級,生產高安全固態(tài)電池,2025年將生產出能量密度超過400Wh/kg的全固態(tài)電池。
(責任編輯:子蕊)