導(dǎo)語:續(xù)航和安全性一直是新能源汽車最大的痛點(diǎn),為了解決這個問題,行業(yè)內(nèi)便有了“固態(tài)
電池”的概念。不過短時間距離固態(tài)
電池的量產(chǎn)還很遙遠(yuǎn),于是很多新能源企業(yè)開始引入了“摻硅補(bǔ)鋰”的半固態(tài)電池作為過渡性產(chǎn)品,那么“摻硅補(bǔ)鋰”將成為今年行業(yè)新風(fēng)向嗎?
從目前新能源量產(chǎn)車型的實(shí)際表現(xiàn)來看,無論是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池,能量密度都未完全解決電動汽車?yán)m(xù)航的焦慮,同時隨著未來電動汽車智能化功能的滲透,越來越多的電子化配置使車輛用電越來越大,所以業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè)開始在電池技術(shù)上做文章,尋求根本解決續(xù)航問題的方法。
固態(tài)電池或完美解決續(xù)航和安全問題
為了解決動力電池在能量密度上的瓶頸帶來的續(xù)航問題,日本車企早在兩三年前就開始了“固態(tài)電池”的研發(fā)計劃,這項(xiàng)技術(shù)當(dāng)時被豐田、本田、日產(chǎn)等企業(yè)看來是未來新能源汽車的希望,那么固態(tài)電池真有那么管用嗎?
首先在結(jié)構(gòu)上,傳統(tǒng)鋰離子電池主要由正負(fù)極材料、電解液和隔膜組成,其中正負(fù)極材料決定了電池的容量,電解液及隔膜作為傳輸鋰離子的介質(zhì)。而固態(tài)電池用固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜。那么固態(tài)電池有哪些優(yōu)勢呢?
首先,固態(tài)電池用金屬鋰取代了嵌鋰石墨作為負(fù)極,這樣可以減少負(fù)極材料的用量,使得整個電池的能量密度有明顯提高;此外,選用固態(tài)電解質(zhì)后,正負(fù)極之間的距離減少,這樣電池的厚度就能大大地降低;而在電池輕薄化以后,其柔性程度也會有明顯的提高,電池包進(jìn)行封裝時,電池可以經(jīng)受幾百到幾千次的彎曲而保證性能基本不衰減;此外,固態(tài)電池?zé)o需擔(dān)心出現(xiàn)鋰枝晶導(dǎo)致電池短路、電解質(zhì)高溫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)易燃易爆等問題。綜上,固態(tài)電池?fù)碛心芰棵芏雀、體積小、柔性化強(qiáng)、更安全的特性。
雖然相比傳統(tǒng)鋰電池具有高能量密度和高安全性等絕佳優(yōu)勢,但同時還具有導(dǎo)電率差、循環(huán)壽命不佳、制造工藝復(fù)雜成本高等問題,這些都制約著量產(chǎn)計劃的推進(jìn)。根據(jù)主流車企公布的信息顯示,豐田在2021年亮相首款固態(tài)電池原型車;大眾預(yù)計2024-2025年量產(chǎn)固態(tài)電池。所以,固態(tài)電池最終應(yīng)用在量產(chǎn)車型上最理想的情況下也得需要五年左右才能實(shí)現(xiàn)。
蔚來的“固態(tài)”有混淆概念之嫌
固態(tài)電池距離量產(chǎn)遙遙無期,所以行業(yè)內(nèi)現(xiàn)在把關(guān)注點(diǎn)放在了“摻硅補(bǔ)鋰”的過渡性電池產(chǎn)品上,那么“摻硅補(bǔ)鋰”的實(shí)際應(yīng)用效果會如何呢?
從電池的正極、負(fù)極、電解液、隔膜各個部分看,傳統(tǒng)鋰離子電池的負(fù)極成為了提升能量密度的“短板”,材料普遍采用石墨材料,但是當(dāng)前石墨負(fù)極材料克容量已經(jīng)做到360mAh/g,接近372mAh/g的理論克容量,繼續(xù)提升的空間有限,所以需要開發(fā)新型的負(fù)極材料。目前業(yè)界的普遍共識是,硅負(fù)極材料是石墨負(fù)極材料的理想替代產(chǎn)品,硅材料的理論克容量更高,達(dá)到了4200mAh/g,是目前已知能用于負(fù)極的材料中理論克容量最高的材料。此外,硅材料儲量豐富、成本低等優(yōu)勢利于硅負(fù)極的制造。不過,硅負(fù)極材料在電化學(xué)反應(yīng)中體積膨脹率高達(dá)320%,遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的石墨材料10%左右的膨脹率,所以在電池正常工作狀態(tài)下極高的膨脹和收縮彈性頻繁發(fā)生,電池的循環(huán)壽命將會縮減,反而得不償失。
此外,硅負(fù)極的第二個短板是首充效率低,數(shù)據(jù)顯示只有65%-85%。在鋰離子電池首次充電過程中,有機(jī)電解液會在負(fù)極表面還原分解,形成固體電解質(zhì)相界面膜,該物質(zhì)會消耗大量來自正極的鋰離子,造成首次循環(huán)的庫侖效率偏低,從而降低了鋰離子電池的容量和能量密度。而“補(bǔ)鋰”的作用就是抵消掉上文提到的固體電解質(zhì)相界面膜造成的鋰損失。綜上,為了均衡地達(dá)到使用性能,兩者需要同時進(jìn)行,而“摻硅補(bǔ)鋰” 成為了現(xiàn)階段解決
電動車續(xù)航焦慮的最優(yōu)解。
事實(shí)上,蔚來此前宣稱的“固態(tài)電池”,其實(shí)是無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù),本質(zhì)上就是“摻硅補(bǔ)鋰”,其有混淆概念之嫌。另外,無論摻硅還是補(bǔ)鋰,研發(fā)的技術(shù)難度都不小,這也是目前硅負(fù)極材料一直較少應(yīng)用到電池中的主要原因,只是理論上要比純固態(tài)電池的研發(fā)要輕松些。“摻硅補(bǔ)鋰”電池短期內(nèi)應(yīng)用難度很大,或許會在明年才可能大規(guī)模上市應(yīng)用。
產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)躍躍欲試
現(xiàn)階段“摻硅補(bǔ)鋰”暫時是解決電動汽車?yán)m(xù)航焦慮的最佳解決方案,新能源行業(yè)內(nèi)的很多企業(yè)已經(jīng)率先開始了研發(fā)進(jìn)程。
今年1月8日,國軒高科首次亮相了應(yīng)用“高克容量硅負(fù)極材料和先進(jìn)的預(yù)鋰化技術(shù)”的210Wh/kg磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品;次日,蔚來汽車發(fā)布了150kWh“無機(jī)預(yù)鋰化硅碳負(fù)極技術(shù)”電池;1月13日,智己汽車宣布與寧德時代共同開發(fā)的“摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)”電池將應(yīng)用在旗下首款新車上;1月18日,廣汽集團(tuán)透露,搭載硅負(fù)極電池技術(shù)的車型已按計劃進(jìn)入實(shí)車測試階段。
雖然固態(tài)電池的實(shí)際應(yīng)用還遙遙無期,但是“摻硅補(bǔ)鋰”的技術(shù)開始興起了,這意味著新市場打開了。目前國內(nèi)具備批量生產(chǎn)硅負(fù)極材料能力的企業(yè)有限,不過隨著資本的不斷投入,對新能源行業(yè)而言機(jī)會也越來越多,屆時該領(lǐng)域會受到更多企業(yè)的重視,無論是產(chǎn)量還是產(chǎn)品的需求量都將會有大幅提升。同時這也體現(xiàn)了新技術(shù)的誕生和應(yīng)用離不開整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同推進(jìn)。
點(diǎn)評
顯然,無論部分車企再如何大肆渲染,我們距離固態(tài)電池的最終應(yīng)用還需要漫長的等待,不過“摻硅補(bǔ)鋰”逐漸成為了現(xiàn)階段的最優(yōu)解,也將成為今年新能源和汽車行業(yè)的新趨勢。一個新技術(shù)的誕生及應(yīng)用可能會改變整個市場格局,新機(jī)會誕生的同時,也意味著企業(yè)間的協(xié)作和競爭并存。
(責(zé)任編輯:子蕊)