储能电池

固态电池进入“军备竞赛”阶段 2030年或迎大规模量产

2020-06-28 13:52:18 盖世汽车 作者:雷云

近日,大众汽车宣布已向斯坦福大学研发固态电池的衍生企业QuantumScape追加投资2亿美元(约合14亿元人民币),旨在加速推动固态电池技术的研发和商业化量产。

早在2012年,大众汽车就与QuantumScape公司在固态电池技术领域达成合作,并在2018年向其投资1亿美元成为其最大股东。随后双方又共同成立了一家专注于固态电池研究的合资公司,将于2020年年内设立试点工厂。双方共同的目标是使得固态电池真正能够应用于汽车工业领域,并预计在2025年建成一条为电动汽车生产固态电池的生产线。

固态电池引来各大企业争相布局

据不完全统计,目前全球范围内致力于固态电池技术研发与应用的车企与动力电池企业有20多家,其中不少企业都宣布要量产固态电池,并制定了相应的发展路线计划。

国际上,除了大众汽车,宝马、丰田、本田、日产、松下等车企及电池企业均在固态电池领域有所布局。其中,宝马2017年就开始牵手Soild Power开发固态电池;丰田作为较早着手研发固态电池的车企之一,侧重硫化物固态电解质技术路线,有望在2022年推出搭载固态电池的车型;今年年初,丰田宣布与松下成立合资企业生产固态电池;同在今年年初,戴姆勒宣布与加拿大魁北克水电公司合作开发固态电池技术,一旦达到量产状态,将在戴姆勒旗下的电动汽车上使用。

与国际主流车企扎堆布局固态电池不同,国内布局固态电池的主力军是动力电池企业,传统车企仅有北汽集团与比亚迪两家布局,新造车企业的布局者相对更多。

在国内动力电池企业中,清陶能源、宁德时代、赣锋锂业、辉能、北京卫蓝、卡耐新能源等走在固态电池研发前列。据了解,清陶能源目前已开发出全固态电池,单体能量密度可达到430Wh/kg,量产阶段可达到300Wh/g以上;宁德时代在聚合物固态锂金属电池和硫化物基固态电池方向都有研究;赣锋锂业年产亿瓦时级第一代固态锂电池研发中试生产线已建成试产;卫蓝新能源2019年在江苏举行了固态电池项目奠基,计划于2020年建成年产0.1GWh固态电池生产线;辉能科技称2023 年将开始全固态电池试产,2024年全固态电池量产。

传统车企方面,北汽集团旗下北汽产投于2019年8月完成了对清陶能源的投资,双方将在固态锂电池的产业化方面合作,但并未公布具体的量产落地时间。比亚迪表示,目前正在积极推进固态电池项目商用。

新造车企业中,蔚来汽车、天际汽车、爱驰汽车已分别与辉能科技达成合作,共同研发固态电池。其中天际汽车在2019年初就推出了首款搭载固态电池的ME7样车,不过目前并无最新进展。近日,哪吒汽车宣布与清陶能源达成全面深度合作,共同推进固态电池的研发与应用。

固态电池更安全、能量密度更高

进入2020年,CTP电池、刀片电池、石墨烯电池和无钴电池等新技术电池相继推出。动力电池技术领域虽迎来一系列突破,但是综合考虑电池的安全性和续航里程,固态电池被认为是未来十年内最适合电动汽车的动力电池。

中国科学院院士欧阳明高曾公开表示,基于各国动力电池技术路线的比较,短期来看是液态电解液的锂离子电池,发展高镍三元正极和硅炭负极,中长期将从液态电解质逐步过渡到全固态电池。

“与目前主流的三元锂离子电池相比,固态电池可以提升电动汽车的安全性,更高的能量密度能够使电动汽车拥有更长的续航里程,并且能够有效缩短电动汽车的充电时间。”盖世汽车研究院资深分析师表示。

首先,从电池结构本身来讲,使用固体电解质的固态电池具有不可燃、不腐蚀、不挥发、不漏液等优势,可极大确保电池的安全性。由正极、负极、隔膜和电解液组成的锂离子电池,其电解液易渗出,当遇到正负极短路或者过充时温度会快速升高,易引发电池燃烧、爆炸。且随着能量密度提高,三元锂电池镍含量不断提升,用于稳定结构的钴和锰含量相应降低,安全问题将愈发凸显。

其次,用金属锂做负极的固态电池可匹配高电压正极材料,进一步提升能量密度。而现阶段三元锂电池电芯能量密度普遍在240-260Wh/Kg之间,高镍三元锂电池虽然可以达到300Wh/Kg,但都已接近极限,难以继续提升。

此外,固态电池的封装相对简单,能省掉电池包外壳、冷却等系统,同时可实现电池柔性化、异形化,根据不同应用场景设计不同形状,灵活性更强。

固态电池量产尚存难点

需要指出的是,当下国际主流车企、国内动力电池企业以及造车新势力,虽然都在固态电池领域进行了前瞻布局,但是固态电池技术距离量产还需要解决诸多难点。

上述分析师坦言,固态电解质在安全性与部分电化学性能上虽优于液态电解质,但由于其固体的形态,也存在着先天的缺陷。譬如,固态电解质的锂离子迁移效率直接影响了固态电解质的离子电导率。据了解,目前绝大多数固态电解质的离子电导率低于液态电解质,影响了固态电池的实用性能。

其次,在与电极的接触上,液态电解质可以最大限度地与电极保持接触,而固态电解质与电极之间很难做到完美贴合,如此一来,电极与电解质之间的界面阻抗就会上升,同样影响固态电池的实用性能。

再次,如何在规模和成本之间找到平衡点,也是其量产路程中不得不考虑的重要问题。

北京卫蓝新能源科技有限公司资深工程师李久铭公开表示,“目前固态电池材料体系、电芯、模组、智能制造技术尚未确定,产业链尚未形成。”在他看来,只有安全性、能量密度、循环寿命、日历寿命显著提高,成本及功率特性接近甚至优于液态锂离子电池,全固态电池技术才有竞争力。

考虑到固态电池量产面临的现实困难,以及新能源汽车对高安全、高能量密度动力电池的迫切需求,作为折中方案,混合固液电解质锂电池将作为固态电池发展的过渡方案。欧阳明高亦认为,当前有突破的、有产业化优势的是固态锂离子电池,既电解质中有固态也有液态。有测试数据显示,相比于三元锂离子电池,目前的混合固液产品能量密度有所提升,安全性可大幅提高,是全固态电池技术尚未突破情况下的务实选择。

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根据盖世汽车研究院《新能源汽车动力电池产业报告(2020版)》预测分析,2020年前后电池材料将主要向镍三元+硅碳演变,到2025年富锂锰基正极材料取得突破,到2030年电解质方面取得突破后,有望实现全固态电池。国内锂电巨头宁德时代亦认为,全固态电池至少要到2030年才能进行大规模量产。

虽然固态电池量产尚需时日,但是不难看出,没能在这一轮动力电池掌握住主动权的企业,都早早地将目光锁定在下一代动力电池的赛道上,固态电池则早已进入“军备竞赛”阶段。可以说,下一个十年,谁抢下了固态电池,谁就抢下了在新能源汽车产业发展的先机。


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