鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2021年04月06日
固態電池成電動汽車超越燃油車的最大希望么?
在年初舉辦的2018CES(拉斯維加斯國際消費電子展)上,固態電池突然成為了熱點話題,起因是萬向旗下的Fisker公司在公布全新電動跑車Emotion時,提到了由于搭載石墨烯固態電池,這款電動跑車實現644km以上的續航里程,甚至可以吊打特斯拉。
通常來說,鋰離子電池由正極、負極、隔膜、電解液等部分組成,無論是最初的鎳氫電池、錳酸鋰離子電池、后來的磷酸鐵鋰離子電池,還是如今已廣為人知的三元鋰離子電池(鎳鈷錳和鎳鈷鋁),說的其實都是電池的正極材料,對電芯能力密度影響最大的就是它。
眾所周知,磷酸鐵鋰離子電池在能量密度方面的提升空間已非常有限,不提升能量密度,就無法提升電動汽車的續航里程。于是,動力鋰電池的生產公司已經開始由磷酸鐵鋰離子電池全面倒向三元鋰離子電池的優化升級,但從長遠來看,這些方式都很難讓三元鋰離子電池的能量密度突破300Wh/kg。那么,這個行業內普遍認同的研發瓶頸出現后,應該如何捅破天花板完成未來目標呢?(2020年350Wh/kg,2025年400Wh/kg,2030年500Wh/kg),下面就輪到固態電池登場了!
使用固態電解質的鋰離子電池可以擺脫石墨材料的束縛,轉而去采用金屬鋰作為負極,使得整個電池系統的能力密度大大提升。從現在的試驗數據看,300-400Wh/kg能量密度的全固態電池已經不在話下,有人預測未來達到900Wh/kg也不是沒有可能。更重要的是,固態電池可以在更高溫(可長期在60-120C溫度下)、更大電流、更高電壓下工作,較液態電解質鋰離子電池應用范圍更加廣泛。
正因如此,盡管目前全固態電解質的成本非常昂貴,但全球各大相關公司、研究機構都紛紛將固態電池技術作為重要研發方向。
而就在上周末舉辦的2018我國電動汽車百人會論壇上,新興固態電池的開發同樣成為關注的焦點。
就連工信部部長苗圩也在致辭中強調,在我國新能源汽車發展的下一步工作中,要重點攻克下一代鋰離子電池和固態電池等新體系電池的關鍵核心技術。他強調,我們2020年單體電池要做到350瓦時每公斤,模組要做到260,這個還是蠻有挑戰的。(我們要)提升正向設計開發的能力,不斷提高整車的輕量化和智能化水平,努力使整車性能達到甚至超過燃油汽車。
其實,正如我國電動汽車百人會執行副理事長、我國科學院院士歐陽明高評價的那樣,2017年是固態電池最火熱的一年。
據歐陽明高介紹,日本在無機硫化物固態電解質方面取得重要突破,豐田公司出臺固態電池量產計劃,在2022年實現商品化。
2017年十月,豐田汽車公司副社長迪迪爾勒羅伊宣稱要在2025年前推出新一代電池固態電池,其能大幅新增電動汽車續航里程。他表示,豐田公司正投入200多人進行開發,并強調豐田在固態電池方面的專利為前列。去年底,寶馬宣布與電池技術公司SolidPower建立新的合作關系,目的正是進行固態電池的研發,以用于商業化電動汽車的搭載。
而日立公司也宣布其固態電池技術已經研發完成。公司現在就可以供應與當前鋰離子電池相同性能的固態電池,能更好的處理溫度變化,擁有更長的循環壽命。日立佐森總裁TakashiTanisho透露,目前已經將固態電池的樣品送到了特種航天和汽車行業的潛在客戶。
與此同時,我國國家電池創新中心和中科院物理所在減緩富鋰錳基固溶體材料衰減、北京大學項目團隊在開發新結構的富鋰正極材料等項目上也取得了不同程度的進展,歐陽明高表示:大家了解三元811正極比容量只有210毫安時/克,現在新結構富鋰正極材料已經做到400毫安時/克,這為實現鋰離子電池500瓦時/公斤的目標供應了可能性。
值得一提的是,目前國內三元材料電池出貨的領頭羊寧德時代同樣在固態電池領域研究頗多,并且已申請到了包括固態電解質膜片及鋰離子電池、鋰離子電池的固態電解質材料等多項專利。
而剛剛在CES2018上引發轟動之后,萬向也在百人會論壇上發聲萬向A123系統有限公司工程副總裁陳旸透露,我們可能沒有采用很激進的做法,我們是從熟悉的三元+石墨這個體系開始去研究固態電解質的集成與生產與產業化的問題,第一步最簡單,我們逐步引入硅碳負極、鋰金屬負極以及先進的正極材料,逐步走向全固態的過程。他透露,目前萬向A123正在全球與多個合作伙伴共同從事這個項目的研究,而且我們把制造性、產業化作為研究的重點。
而北大先行科技產業有限公司總裁、CEO高原認為,固態電池風險高但是回報也高,現在我們聽的很多的就是全固態電池,全固態電池它當然好處可以用鋰金屬,用了鋰金屬負極的能量密度就大大提高了,當然好處就是固態電解液室溫下的電導率,還有大家不談的一個事情,即便我們用鋰金屬做負極,雖然算起來能量密度很高,比如你算出來要一公斤的鋰金屬,可能要往里面放三四倍所要的鋰金屬,因為每一次鋰金屬循環回來的時候他都會形成一個新的表面,新的表面會消耗一部分鋰。
當然,也有專家提醒大家注意固態電池的虛火。我國工程院院士楊裕生就直言不諱,最近大家可能很關注固態電池,實際上正確講應該是全固態電池,但是現在把固態電池里面放一點少量的有機電解液,也叫做固態電池,實際上這個是有點不倫不類。真正的全固態電池安全性是高的,這個可能是10年以后的事情,把希望寄托在10年以后的電池,來發展當前的電動汽車,這是虛無縹渺。
而歐陽明高此前同樣強調:全固態鋰離子電池,這個詞每一個字都不能少、不能變,比方說‘全固態’跟‘固態’是不相同的,‘鋰離子電池’和‘鋰離子電池’不是一個概念。所謂‘全固態鋰離子電池’是一種在工作溫度區間內所使用的電極和電解質材料均呈固態,不含任何液態成分的鋰離子電池,所以我們全稱是‘全固態電解質鋰離子電池’。
而目前有所突破、有性能優勢和產業化前景的,重要是固態鋰離子電池。歐陽明高解釋說,固態鋰離子電池,其電解質是固態,但在電芯中有少量的液態電解質;所謂半固態,就是固態電解質、液態電解質各占一半,或者說電芯的一半是固態的、一半是液態的,所以還有準固態的,就是重要為固態、少量是液態。
此前提到的,豐田做的不是全固態鋰金屬電池,做的是固態鋰離子電池,它的負極是石墨類,硫化物電解質,高電壓正極,單體電池容量15安時,電壓是十幾V的那種,2022年實現商品化,這個是靠譜的……所以在日本,并沒有顛覆,還是鋰離子電池,正負極還可以用以前的。韓國,也是石墨類負極,并不是金屬鋰負極,跟日本差不多。歐陽明高表示,中、日、韓的情況是類似的,因為我們已經有了很大的鋰離子電池的產業鏈,不希望推倒重來。
盡管開發混合固液電解質電池和全固態金屬鋰離子電池,還面對很多科學與技術的挑戰,也包括控制成本方面的挑戰,但固態電池仍然是一項我們有望親眼看到的,或將改變汽車的技術變革。