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固态电池:新能源下一个“超级风口”?

2021-07-26 09:36:13 莫道春秋

动力电池是新能源领域的核心赛道,下一代能量密度更高、安全性能更好,同时兼顾成本经济性的的电池研发,必然是一个“超级风口”。

这其中,“固态电池”是最被看好和各方投入最多的技术路径,但鉴于其材料、制备、成本等方面的诸多高难度瓶颈,商业化之路任重道远。

同时,其他技术路径如能在能量、安全和成本方面获得更好的平衡,也将可能对固态电池实现“弯道超车”。

目下最大的赛道,无疑是新能源汽车。有人甚至说,新能源汽车在未来十年也仍会是最大的风口。当然,这其中包含的意思,除了产业本身的发展之外,也同样体现了技术层面可能出现的重要迭代乃至革命。

在整个新能源赛赛道中,“整车”无疑是最光鲜和最吸引眼球的。但当前整车市场的竞争堪称惨烈。国内被戏称为“PPT造车”的“造车新势力”,企业数量近500家,目前脱颖而出的也不过蔚来、小鹏、理想、零跑、威马、哪吒等屈指可数的几家。

同时在新能源汽车“全球老大”特斯拉持续降价、销量暴增之后,尚未盈利的“蔚来”们,又将面临怎样的剧烈冲击和未来?

所以说,当前的整车赛道已经拥挤不堪且危机重重,对于整车企业个体而言,未来的发展充满着不确定性。

而新能源领域具备较大确定性的环节在哪?毫无疑问是动力电池。一个朴素的道理:无论谁在造车,都离不开或者说希望获取高能量密度、高安全性又低成本的电池配备。

因而,背靠日益膨胀的新能源汽车市场,动力电池领域无论在效率、成本、安全等维度上的重大突破,无疑都将是一个具备高度确定性的“超级风口”,甚至具有划时代的意义。

动力电池领域公认的标准是:如果电动车的电池能量密度能从当前主流的160wh/kg,提升至400wh/kg,那么电动车足以完全取代传统的燃油车。

面对这一创造历史的机遇和巨大的市场前景,国内外一众电池生厂商也已开足马力投身于下一代动力电池的研发。这其中,“固态电池”则是当下最火热、最被寄予厚望的“超级电池”研发技术路径。

动力电池:新能源汽车的生命线

这两年特斯拉持续降价,最新的拳头产品“Model Y 标准续航版”税后报价27.6万元,较之其此前推出的“Model Y 长续航版”降价7万元有余,由此引发热销。

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特斯拉MODEL Y(图片来源:网络)

而促使特斯拉可以大幅降价的底气就来自于换装 “磷酸铁锂电池”后成本骤降。

目前新能源汽车搭载的动力电池主要是“三元锂电池”和“磷酸铁锂电池”两种,我们来简单介绍下这两种电池。

“三元锂电池”电池正极添加了镍、钴、锰等三种贵金属,因而能量密度和充电效率较高。

但也正因为添加了这三种贵金属,三元电池成本较高。同时也导致电池内部高温状态下化学反应剧烈(200℃左右会发生分解),容易引发燃爆,为提升安全性能则需要增加更多成本。

另一种“磷酸铁锂电池”,则不含有贵金属成分,因而成本较低。同时“磷酸铁锂”化学性质稳定(500℃左右结构依然稳定),不易燃爆,使用寿命较长。主要缺点是能量密度、充电效率不及三元电池,同时在低温状态下性能较差。

但近年来宁德时代的“CTP模式”(将电芯直接集成到电池包)、比亚迪的“刀片结构”(单体电池通过阵列方式排布插入电池包)等技术突破,已使得磷酸铁锂的能量密度基本达到了主流的160Wh/kg,充电效率也大幅提升。由此,磷酸铁锂电池低成本的优势也就更加凸显。

而此次特斯拉“国产Model Y标准续航版”,正是由原先松下的三元电池“换装”成了宁德时代的CTP模式“磷酸铁锂电池”,由此成本大降,也搅动了国内新能源汽车市场的大潮。

动力电池之于新能源汽车的重要性也可见一斑。

固态电池:群雄逐鹿的下一个战场

20世纪90年代以来,包含液态电解质的锂离子电池(包括前述磷酸铁锂电池和三元锂电池)已成为当前最成熟、应用最广泛的电池技术路线。

而随着市场对电池能量密度、安全性、经济性等方面的要求日益提升,传统锂离子电池已逐渐不能满足需求。于是采用固体电极和固体电解液,并具备更高能量密度和安全性的“固态电池”便应运而生。

固态电池为什么能具备更高的能量密度和安全性?

首先是其固态电解质(主要采用有机或无机陶瓷材料)的结构和密度,可以聚集更多带电离子、传导更大电流,同时采用金属锂等材料做负极,从而有效提升单位体积的电池容量和续航能力。

据分析,一辆全固态电池汽车续航里程可达约1,000公里,同时电池性能可长期保持稳定;

第二是固态电解质封存简易,可以显著节省成本,以及减轻电池重量、减小电池体积;

第三是固态电解质化学结构稳定,较之液态电解质,减小了电池在高温下发生化学反应和燃爆的风险,使用寿命稳定。

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锂离子电池与全固态电池对比(图片/网络)

有机构预测,到2030年,全球固态电池需求预计达500GWh,市场规模在3,000亿元以上。

巨大的市场需求和应用前景,也让固态电池的研发成为国家战略。

目前,中国、美国、日本、德国等世界主要经济体均制定了各自的固态电池发展规划。总体计划是:在2020-2025年期间致力于提升电池能量密度并逐步向固态电池转变;2030年前后研发出商业化运用的全固态电池。

当前,日本丰田、松下、本田,韩国LG,德国宝马、大众,以及国内的宁德时代、比亚迪等动力电池巨头,均已布局固态电池领域。

在时代潮流的强势推动下,固态电池技术也在逐步取得重大突破。美国休斯敦大学研究团队日前发布成果显示:通过溶剂辅助过程改变电池的电极微结构,可将有机基固态锂电池的能量密度翻倍。

在固态电池的材料方面,国内企业也已具备批量生产能力。赣锋锂业日前宣布:公司生产的第二代固态锂电池基于高镍三元正极、含金属锂负极材料,能量密度超350Wh/kg,循环寿命近400次。

固态电池商业化之路:任重道远

市场渴求、政策支持,业界各路大神不惜重金倾力投入,固态电池的研发看起来一切都很美好,但事实并非如此。固态电池在技术上还存在大量需要攻关的难点,距离真正实现商业化还存有较长距离。

目前固态电池量产和商业化的主要瓶颈包括:

一是固态电解质的离子电导率较低,导致充电效率较低;

二是材料体系不完善。固态电池固态电解质可以选择有机或无机陶瓷材料,负极可以选择预锂化、富锂复合和金属锂等材料,但总体尚无较为成熟的材料体系。固态电池的用材,或许也是人类材料科学的一个巅峰;

三是制备工艺技术难度高。作为固态电池电解质的氧化物和硫化物电解质,制备难度较高,以目前的工艺水平难以保证成品的合格率;

四是固态电池的内部结构和性能平衡问题尚待解决。固体电池是一个全新的体系,颠覆了液态锂电池系统,很多架构和系统问题需要重新设计,以目前的技术水平尚不能完全驾驭;

五是产业链配套不完善。作为主体尚处于或刚走出实验室的固态电池,自然无法形成完整的配套产业链;

六是生产效率低下、制造成本居高不下。目前普通液态锂电池成本不过200-300美元/千瓦时,而若以现有技术制造车用全固态电池,成本据说高达数千万美元。

这其中,成本问题应该是制约固态电池大规模商业化的最大瓶颈。

一个值得玩味的细节是:作为全球最大的新能源车企,特斯拉一直对固态电池问题保持缄默,反而仍然着力于传统锂电池的改进。

2020年12月,特斯拉发布4680动力电池,展示其CTP无模组电池方案:取消电池模组设计,将960个4680电芯直接按照40x24的排列置入动力电池结构体中,再结合正负极材料的改进,这套电池系统的能量密度或将达到300Wh/kg。

或许特斯拉在证明:类似固态电池这样过于先进的技术并不一定适合于商业化;而“在商言商”,能够大规模商业化的,必然是技术成熟、成本低廉的路径。

固态电池之外,还有其他技术路径吗?

固态电池无疑是追逐下一代动力电池最火爆的技术路线,但未必是唯一选择。因为我们的最终取向是高效能和低成本的平衡,如果其他技术路线在与固态电池的推进过程中,在这两方面的平衡较之后者更优、发展更快,那鹿死谁手还真不好说。

固态电池之外,还有哪些可以选择的动力电池技术路径?业内较为看好的包括燃料电池、镁电池、铝空气电池、超级电容器等路线。

“燃料电池”的基本原理,是将燃料的化学能直接转换成电能,具有转换效率高、环境污染少等优点。

但燃料电池的发展同样是问题重重。以当下燃料电池领域最火热的“氢燃料电池”为例,就面临制氢储氢和催化剂成本高昂、关键零部件技术瓶颈等问题。

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氢燃料电池原理(图片来源:网络)

“镁电池”是以镁为负极,某些金属或非金属氧化物为正极的原电池。由于镁的熔点(约650℃)远高于锂(约180℃),同时镁的储量也远高于锂,因而镁电池较之锂电池,在安全性和经济性方面具备优势。

但镁电池的障碍在于缺少合适的正极材料与镁负极组合、充放电不稳定等。

“铝空气电池”以高纯度铝为负极、氧为正极,以氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)水溶液为电解质,铝摄取空气中的氧,在电池放电时产生化学反应。

铝空气电池的理论比能量可达8,100Wh/kg,同时重量轻、环保无污染,但其比功率较低、充放电速度较慢且容易过热。

“超级电容器”是一种通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的装置,同时具备传统电容器的充放电和电池的储能特性,而且具有充电速度快、循环使用寿命长、绿色环保等优点。

但其缺点同样十分明显,包括电极材料能量密度较低、电解质容易泄漏、耐压性能较差等。

综合而言,以固态电池为代表的下一代动力电池的各条技术路径各有利弊,目前尚有不少技术瓶颈亟待突破,同时在有效性、经济性、安全性的平衡方面,也存在诸多问题,大规模商业化之路均任重道远。

而可以确定的一点是,假以时日,在市场需求的引致和国内外广泛持续研发的推动下,下一代能量密度和充放电效率更高,同时兼顾成本、安全等多方面因素平衡的某种划时代“超级电池”,终将取代目前主流的液态锂电池。

只不过这其中,固态电池应该是目前各方投入最多、最被寄予厚望的技术路径。但最终哪条技术成为“天命之选”,还是要看谁能尽早实现技术的根本性突破,以及更好地实现效率、成本等方面的完美平衡。




责任编辑: 李颖

标签: 固态电池 动力电池

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