储能电池

固态电池技术果真市场化了?

2020-07-08 17:13:00 中国电池联盟 作者:龙阙

2020年电动汽车交付市场,特斯拉交了一份漂亮的“答卷”,9万多辆新车的成绩,远超7.2万辆的预期,由于销量过盛,特斯拉不得不像供应商LG化学提出增加电池采购的需求。为此,LG化学韩国吴仓工厂,还需要改造产线以满足特斯拉的需求。此外,特斯拉还与松下扩大了在内华达的生产规模。

不过,特斯拉在追加、扩产的同时,却取消了在柏林工厂生产电池的计划。毋庸置疑,产销两旺的特斯拉,此时选择缩减柏林工厂的规模,应该是受疫情的影响。

电动化进程发展到今天,当动力电池发展面临三元材料和磷酸铁锂路线走到技术天花板的窘迫之际,固态电池技术路线被看成是下一个动力电池风口。从锂电“市场霸主”中日韩,到“技术之王”美利坚,再到“后起之秀”欧洲列国,无一不是蠢蠢欲动,试图占领固态电池的战略高地。

但是,从行业各大企业战略布局来来看,不论是日本的丰田和松下,还是国内的宁德时代和赣锋锂业,或者是车企巨头特斯拉、大众、宝马等放出的信息,固态电池商业化的大好局面似乎已经到来。而事实上,现实是骨感的。

固态电池研究始于上个世纪八十年代,迄今为止还只是在第一步打转,仍旧处于实验室研究阶段。即便是越过了实验室阶段,也要经历一轮又一轮的小试、中试,攻克诸多生产技术和工艺等方面的难关,才可以最终实现产业化。

诚然,电池技术的进步,需要全产业链相互协调和配合才能完成。在当下与其配套的设备、工艺等还不成熟,甚至连技术路线都不确定,生产设备都没有的情况下,谈论固态电池的商业化显然为时尚早。电池生产工艺和设备难题,赫然成了牵绊电池技术路线发展的问题之一。

以锂电池为例,生产工艺及其复杂,大致可分为极片制作、电芯制作和电池组装三个工段,而极片制作工艺又包括电极浆料制备、电极浆料涂布、辊压、分切、极耳焊接等工序;电芯制造工艺又主要包括卷绕或叠片、入壳封装、注入电解液、抽真空并封装等;电池组装工艺主要包括化成、分容、组装、测试等。

固态电池作为锂电池的一种,抛开芯片制造的难度不谈,锂用作负极材料的制备,堪比芯片制造的难度,因为锂极容易与空气中的氧气和水分发生反应,且还不耐高温,这就给固态电池的生产组装和实际应用中带来了极大的困难。

以硫化物固态电解质为例,因为硫化物基固态电解质对空气极为敏感,特别容易氧化,稍微遇到一点水气还容易产生硫化氢这样的有毒气体,这意味着其生产环境的控制将十分苛刻,需要隔绝水分与氧气,并且还会产生有毒气体。

然而,理论上硫化物电解质的生产环境需要严格隔绝水分和氧气,但在实际操作中几乎不可能,因为硫化物难免不和空气中的水分反应生成硫化氢气体,所以这种电解质必须采用冷压技术在惰性氛围下进行生产。而这样制造出来的电解质,微观层面仍有空隙和晶界空格,无法做到完全致密,这样充电循环过程中锂枝晶就在会空隙中生成,最终导致电解质破碎,电池短路。

再比如,在薄膜型氧化物电解质的制造中,由于传统的涂布法无法控制粒子的粒径与膜厚,成膜的均匀性比较低,只有真空镀膜法才能够较好保持电解质的均匀性。所以,薄膜型固态电池产品多采用真空镀膜、磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积等方法生产,对设备要求极高,制备工艺也很复杂,不利于大规模生产,导致生产效率低下,成本高昂。所以,目前即使是少数商用的薄膜型固态电池,也都只是用在对价格极其不敏感的航空航天、以及心脏手术领域。

此外,固态电池的生产流程、工艺方式和传统锂电池也是完全不一样的,虽然理论上固态电池和当下锂电池在封装技术上大同小异,但电解质膜片和正负极极片的制备上却是全新的。例如,制备固态电解质或正极材料,需要采用射频溅射、射频磁控溅射等各种溅射技术,甚至用3D打印技术;制备金属锂负极需要采用真空热气相沉积技术。而这些技术如何实现大规模应用,目前也是重大挑战。


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