編者按:雖然固態(tài)電池量產(chǎn)尚需時日,但是不難看出,沒能在這一輪動力電池掌握住主動權(quán)的企業(yè),都早早地將目光鎖定在下一代動力電池的賽道上。下一個十年,誰搶下了固態(tài)電池,誰就搶下了在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先機。
近日,大眾汽車宣布已向斯坦福大學研發(fā)固態(tài)電池的衍生企業(yè)QuantumScape追加投資2億美元(約合14億元人民幣),旨在加速推動固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化量產(chǎn)。
早在2012年,大眾汽車就與QuantumScape公司在固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)域達成合作,并在2018年向其投資1億美元成為其最大股東。隨后雙方又共同成立了一家專注于固態(tài)電池研究的合資公司,將于2020年年內(nèi)設立試點工廠。雙方共同的目標是使得固態(tài)電池真正能夠應用于汽車工業(yè)領(lǐng)域,并預計在2025年建成一條為電動汽車生產(chǎn)固態(tài)電池的生產(chǎn)線。
固態(tài)電池引來各大企業(yè)爭相布局
據(jù)不完全統(tǒng)計,目前全球范圍內(nèi)致力于固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)與應用的車企與動力電池企業(yè)有20多家,其中不少企業(yè)都宣布要量產(chǎn)固態(tài)電池,并制定了相應的發(fā)展路線計劃。
國際上,除了大眾汽車,寶馬、豐田、本田、日產(chǎn)、松下等車企及電池企業(yè)均在固態(tài)電池領(lǐng)域有所布局。其中,寶馬2017年就開始牽手Soild Power開發(fā)固態(tài)電池;豐田作為較早著手研發(fā)固態(tài)電池的車企之一,側(cè)重硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線,有望在2022年推出搭載固態(tài)電池的車型;今年年初,豐田宣布與松下成立合資企業(yè)生產(chǎn)固態(tài)電池;同在今年年初,戴姆勒宣布與加拿大魁北克水電公司合作開發(fā)固態(tài)電池技術(shù),一旦達到量產(chǎn)狀態(tài),將在戴姆勒旗下的電動汽車上使用。
與國際主流車企扎堆布局固態(tài)電池不同,國內(nèi)布局固態(tài)電池的主力軍是動力電池企業(yè),傳統(tǒng)車企僅有北汽集團與比亞迪兩家布局,新造車企業(yè)的布局者相對更多。
在國內(nèi)動力電池企業(yè)中,清陶能源、寧德時代、贛鋒鋰業(yè)、輝能、北京衛(wèi)藍、卡耐新能源等走在固態(tài)電池研發(fā)前列。據(jù)了解,清陶能源目前已開發(fā)出全固態(tài)電池,單體能量密度可達到430Wh/kg,量產(chǎn)階段可達到300Wh/g以上;寧德時代在聚合物固態(tài)鋰金屬電池和硫化物基固態(tài)電池方向都有研究;贛鋒鋰業(yè)年產(chǎn)億瓦時級第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線已建成試產(chǎn);衛(wèi)藍新能源2019年在江蘇舉行了固態(tài)電池項目奠基,計劃于2020年建成年產(chǎn)0.1GWh固態(tài)電池生產(chǎn)線;輝能科技稱2023 年將開始全固態(tài)電池試產(chǎn),2024年全固態(tài)電池量產(chǎn)。
傳統(tǒng)車企方面,北汽集團旗下北汽產(chǎn)投于2019年8月完成了對清陶能源的投資,雙方將在固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化方面合作,但并未公布具體的量產(chǎn)落地時間。比亞迪表示,目前正在積極推進固態(tài)電池項目商用。
新造車企業(yè)中,蔚來汽車、天際汽車、愛馳汽車已分別與輝能科技達成合作,共同研發(fā)固態(tài)電池。其中天際汽車在2019年初就推出了首款搭載固態(tài)電池的ME7樣車,不過目前并無最新進展。近日,哪吒汽車宣布與清陶能源達成全面深度合作,共同推進固態(tài)電池的研發(fā)與應用。
固態(tài)電池更安全、能量密度更高
進入2020年,CTP電池、刀片電池、石墨烯電池和無鈷電池等新技術(shù)電池相繼推出。動力電池技術(shù)領(lǐng)域雖迎來一系列突破,但是綜合考慮電池的安全性和續(xù)航里程,固態(tài)電池被認為是未來十年內(nèi)最適合電動汽車的動力電池。
中國科學院院士歐陽明高曾公開表示,基于各國動力電池技術(shù)路線的比較,短期來看是液態(tài)電解液的鋰離子電池,發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負極,中長期將從液態(tài)電解質(zhì)逐步過渡到全固態(tài)電池。
“與目前主流的三元鋰離子電池相比,固態(tài)電池可以提升電動汽車的安全性,更高的能量密度能夠使電動汽車擁有更長的續(xù)航里程,并且能夠有效縮短電動汽車的充電時間。”蓋世汽車研究院資深分析師表示。
首先,從電池結(jié)構(gòu)本身來講,使用固體電解質(zhì)的固態(tài)電池具有不可燃、不腐蝕、不揮發(fā)、不漏液等優(yōu)勢,可極大確保電池的安全性。由正極、負極、隔膜和電解液組成的鋰離子電池,其電解液易滲出,當遇到正負極短路或者過充時溫度會快速升高,易引發(fā)電池燃燒、爆炸。且隨著能量密度提高,三元鋰電池鎳含量不斷提升,用于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的鈷和錳含量相應降低,安全問題將愈發(fā)凸顯。
其次,用金屬鋰做負極的固態(tài)電池可匹配高電壓正極材料,進一步提升能量密度。而現(xiàn)階段三元鋰電池電芯能量密度普遍在240-260Wh/Kg之間,高鎳三元鋰電池雖然可以達到300Wh/Kg,但都已接近極限,難以繼續(xù)提升。
此外,固態(tài)電池的封裝相對簡單,能省掉電池包外殼、冷卻等系統(tǒng),同時可實現(xiàn)電池柔性化、異形化,根據(jù)不同應用場景設計不同形狀,靈活性更強。
固態(tài)電池量產(chǎn)尚存難點
需要指出的是,當下國際主流車企、國內(nèi)動力電池企業(yè)以及造車新勢力,雖然都在固態(tài)電池領(lǐng)域進行了前瞻布局,但是固態(tài)電池技術(shù)距離量產(chǎn)還需要解決諸多難點。
上述分析師坦言,固態(tài)電解質(zhì)在安全性與部分電化學性能上雖優(yōu)于液態(tài)電解質(zhì),但由于其固體的形態(tài),也存在著先天的缺陷。譬如,固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子遷移效率直接影響了固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率。據(jù)了解,目前絕大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率低于液態(tài)電解質(zhì),影響了固態(tài)電池的實用性能。
其次,在與電極的接觸上,液態(tài)電解質(zhì)可以最大限度地與電極保持接觸,而固態(tài)電解質(zhì)與電極之間很難做到完美貼合,如此一來,電極與電解質(zhì)之間的界面阻抗就會上升,同樣影響固態(tài)電池的實用性能。
再次,如何在規(guī)模和成本之間找到平衡點,也是其量產(chǎn)路程中不得不考慮的重要問題。
北京衛(wèi)藍新能源科技有限公司資深工程師李久銘公開表示,“目前固態(tài)電池材料體系、電芯、模組、智能制造技術(shù)尚未確定,產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成。”在他看來,只有安全性、能量密度、循環(huán)壽命、日歷壽命顯著提高,成本及功率特性接近甚至優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池,全固態(tài)電池技術(shù)才有競爭力。
考慮到固態(tài)電池量產(chǎn)面臨的現(xiàn)實困難,以及新能源汽車對高安全、高能量密度動力電池的迫切需求,作為折中方案,混合固液電解質(zhì)鋰電池將作為固態(tài)電池發(fā)展的過渡方案。歐陽明高亦認為,當前有突破的、有產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢的是固態(tài)鋰離子電池,既電解質(zhì)中有固態(tài)也有液態(tài)。有測試數(shù)據(jù)顯示,相比于三元鋰離子電池,目前的混合固液產(chǎn)品能量密度有所提升,安全性可大幅提高,是全固態(tài)電池技術(shù)尚未突破情況下的務實選擇。
根據(jù)蓋世汽車研究院《新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)報告(2020版)》預測分析,2020年前后電池材料將主要向鎳三元+硅碳演變,到2025年富鋰錳基正極材料取得突破,到2030年電解質(zhì)方面取得突破后,有望實現(xiàn)全固態(tài)電池。國內(nèi)鋰電巨頭寧德時代亦認為,全固態(tài)電池至少要到2030年才能進行大規(guī)模量產(chǎn)。
雖然固態(tài)電池量產(chǎn)尚需時日,但是不難看出,沒能在這一輪動力電池掌握住主動權(quán)的企業(yè),都早早地將目光鎖定在下一代動力電池的賽道上,固態(tài)電池則早已進入“軍備競賽”階段??梢哉f,下一個十年,誰搶下了固態(tài)電池,誰就搶下了在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先機。
原標題: 固態(tài)電池進入“軍備競賽”階段 2030年或迎大規(guī)模量產(chǎn)