储能电池

大众们为何疯狂追求固态电池技术?

2020-07-07 08:54:57 astory 作者:astory

上个月大众向固态电池初创公司QuantumScape投资2亿美元,这个金额很令人乍舌,几乎相当于对于一家企业的收购金额。QuantumScape源于斯坦福大学的研究项目组,2012年独立成为公司。大众在2018年就投了100万美元,但此次追加至2亿美元,可见固态电池技术对于大众的战略重要性。

(来源: 微信公众号“Astorys ” ID:Astorys  作者:Astorys)

在目前阶段,固态电池的开发还要解决一系列的课题。首先就是要开发固态电解质,另外正负极材料、电芯极板的制造等都需要改进。最后,固态电池如果可以真正投入量产也会对整个电动车行业带来重要的影响。

固态电解质

目前固态电解质的开发主要分为三种技术路线,硫化物系、氧化物系、聚合物系。目前普遍认为硫化物系最具优势,但这也不是最终确定的。固态电解质需要满足五种条件,比液态电解质更高的离子传导性、正负极的化学互换性、更宽的电化学窗口、几乎可忽略不计的电子传导性,以及更高的能量密度。能开发出满足这些特性的固态电解质是最重要的,为此目前业界正在进行着许多尝试。

从硫化物系来看,目前有着对于各种电解质的研究,这部分是非常专业的部分,就不详细说明了。在现有的锂电池结构中,必须加入各种电解质持续进行测试。氧化物系与聚合物系目前也有多个测试对象,而且这些测试对象还在持续增加。而这些物质全部都需要经过测试,并制造出测试用的电池,需要持续进行实验与验证。这些工作本身就需要许多实验工具、人力、设备等的投入,最终其实就是资本的比拼。

因此,大众投资QuantumScape本质上就是在支付一笔测试成本。经过充分的测试,最终可以开发出适用的固态电解质的概率会增加。不管怎样,最终都必须需要达到与目前液态电解质趋同的性能,才有可能转变为固态。

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这张图片是目前液态电解质的结构。一般我们看到类似的结构图时,经常会误以为液态电解质的形态几乎是流动的液体。

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我们拿圆柱形电池观察一下,实际电池内部的正负极是非常紧密地贴合在一起的。所以电解质不是充分地以液体的形式浸透,而是渗入在极板之间的。甚至从截面来看,这个电解质甚至看起来并不像是液体。

3.jpg这是在聚合物电池上注入电解质工序的图片。电解质需要经过一段时间缓慢地渗入到极板之间,或者是采用真空的方式等。因此注入电解质也是一项非常重要的技术。

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我们来看这张图片,极板之间有蓝色代表的电解质,但左上看还有很多是白色区域,就是还没有充分的浸透的部分。但我们从左下、右下如果放大看,就可以明显看出湿与干的区别。未充分浸透的部分就不能达到规定的容量,因此这种产品在最终检测中就会视为是不良品。所以,像这样让固态电解质浸透的技术就是固态电解质的一项关键技术。

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最终走向全固态电池需要经历不同阶段。左起是现有的液态电解质结构。中间阶段就是锂金属负极,并将固态电解质与正极分离,这样虽然会提高安全性,但却很难浸透电解质(low wetting ability),因此就会影响到能量密度。最终就是要通过改善工艺,让电解质可以均匀地分布在正极上,这样才算是固态电池的最终完成,与液态相比,安全性和性能都会提高。

正负极材料的改善这里面有个问题就是,当固态电解质与正极混合在一起时,与液态相比是否可以让锂离子更加顺畅地移动。因此就需要改善原有的石墨负极。在容量增大的情况下,如果仍采用石墨负极,厚度就会增加,因此只有降低负极的厚度才能够提高能量密度。为了解决这个问题,目前主流的研究就是采用锂金属负极,三星在前段时间发表的论文中说到采用银-碳纳米粒子复合层(参考:三星在<自然>发布的全固态电池技术)。所以,固态电池除了固态电解质的部分外,负极也需要改善为锂金属负极或是某种复合层材料。

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我们再了解下有关改善离子移动的内容。如图红色代表正极,黄色为全固态粒子。我们会看到粒子之间的接触面不是特别多,所以会添加帮助离子传导更加顺畅的的物质(黑色)。

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正极部分也是需要改善的,正极材料可能会在现有的NCM或NCA材料上增加涂层有助于离子移动的材料(绿色),或者需要硫锂等新的正极材料。这部分的开发也需要经过上面提到过的固态电解质一样,需要投入大量的测试的人力和设备。液态电解质电池的极板需要经过焊接工序,但固态电池却无法采用焊接工艺。而且正负极之间的界限较模糊,这部分就需要新的工序。

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如图所示,可能会将正负极材料、电解质以粉末状态加入,然后采用高温加压的方式。采用这种方式可能会存在固态电解质在极板内无法均匀分布的问题。所以在制造了负极和电解质后,再经过层压,然后将正极材料喷洒在上面使其得以均匀分布;或者采用涂层的方式,以非常薄的厚度将正极、电解质、负极这样堆叠。越接近左边,所需的工艺就越难。所以这部分也要看究竟制造工艺可以达到什么精度,制造成本当然也会随之增加。如果采用类似半导体的沉积法工艺或许是可行的,但那就会大幅增加制造成本了,也会成为批量生产的拦阻。因此,制造工艺及设备的选择也是一个很重要的因素。

固态电池是下一波浪潮的关键

此外,在最终“上车”之前,还要考虑电芯成组、电池包的问题。固态电池的电池包结构可能会更加简单一些。因为固态电池的特性本身就是体积小、安全性高。与现有的三元锂电池相比,电池包的制造成本将会更低。目前,在电动车中电芯所占的成本比重约为30%,那么到了固态电池时代这个比重可能会更高。因此谁掌握了固态电池技术那么就真的会在电动车市场有更大的话语权,所以我们也就能理解像大众这样的公司会斥巨资提前布局在固态电池上。

那么到底谁会率先进入固态电池的量产呢?最近丰田和松下成立了电池合资公司。从松下的立场来看,他们虽仍旧与特斯拉在Nevada保持着稳定的关系,但其实本质上并没有进一步扩大业务范围。松下转去与丰田合作,这在之前也提到过,或许是现有的电池技术很难再进一步降低成本,让松下确保营业利润最近LG化学也曾公开表示,和特斯拉的交易并没能达到理想的利润。因此,我们保守预测一下,松下与丰田是否会联手率先将固态电池推向量产呢?

目前超小型的固态电池已经开始进入商用了。村田推出了采用氧化物陶瓷电解质的1cm大小的固态电池。但目前只能用在特殊领域,首先可能进入手机市场。因此三星电子正在开发的全固态电池就非常有意义,因为三星可能首先推出搭载了固态电池的手机。

另外还有中国也是一个很有希望的市场,清陶等企业都在开发固态电池。此外,这次大众投资QuantumScape可能会成为整个固态电池技术发展的催化剂。

目前动力电池市场的方向是NCM712、NCM811、NCMA,也是特斯拉、宁德、LG化学等在主导的市场。因此,像三星SDI和大众等没有在这次竞争中卡位成功的公司,很可能打算弯道超车直接在固态电池上发力。在未来的2-3年间,如果特斯拉们通过持续不断地降低成本来确保利润时,其他没赶上这波的企业们再把握不住下一波的固态电池,很可能就彻底失去在电动车市场上的竞争力了。因此,固态电池技术真是变得越来越重要。

目前在动力电池领域,其实利用现有的技术已经完全可以确保足够的续航了。现阶段各家主要是为了确保营业利润,正在展开激烈的成本竞争。最具代表性的就是宁德和比亚迪开始在LFP上寻求突破,LG化学也率先采用了NCM712,他们也是在产能扩张上最积极的公司,因为只有同一款技术可能至少要经过2-3年才能把成本降到足够低,确保利润空间。相反,三星SDI、大众、松下、丰田等公司态度可能略为不同,他们或许认为目前继续在现有技术上增加投资,会很难确保足够的利润,认为存在着一定风险。所以说,他们采取了想要通过固态电池技术,重新夺回主导权的战略。


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