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固态电池“中场战事”:丰田向左 大众向右

北极星储能网  来源:汽车头条  作者:王鹏宇  2019/9/16 8:38:18  我要投稿  

北极星储能网讯:2019年,起火、自燃意外成为了电动汽车的又一个“看点”。仅国内,两个月的时间就有7起自燃事件被爆出,这无疑将动力电池带来的安全问题推到了风口浪尖。

(来源:微信公众号“汽车头条” ID:qctt_app 作者:王鹏宇)

可对于电动汽车而言,追求更高的电池能量密度和更长的行驶里程又是刚需。即便“动力电池不可能完全消除安全隐患”已经变成公认的事实,一批又一批的高密度高续航产品仍然不可避免地纷至沓来。

在本届法兰克福车展上,高续航纯电动车型再次不出意外地成为了人们关注的焦点。在这之中,大众品牌对于电动汽车的“解读方式”无疑是最大的亮点之一。续航 330-550km的全新ID.3表现不俗,但在大众看来,这仅仅是个开始。拥有质变级飞跃的固态电池技术已经在大众的电动化战略表中明确体现,只是完全实现商业化尚需时日。

这种说法让我们似曾相识,因为在此之前,日本汽车制造商丰田也曾发表过类似的观点,将固态电池视为未来的主攻方向。由此我们不禁发问,这是否意味着,固态电池已经代表了电动汽车的未来?在安全性上,它的本质是天使还是魔鬼?它的到来,将为新能源汽车行业带来光明还是阴霾?

什么是固态电池?

想要弄清这些问题,就要从动力电池的发展现状切入分析。按照电池的物理结构进行分析,目前技术涵盖的电池形态主要分为四种:

液态/凝胶态电池是指只含有液体电解质,半固态(Half solid)液体电解质质量百分比<10%,准固态/类固态(Nearly solid)液体电解质质量百分比<5%,全固态(All Solid)不含有任何液体电解质。

按照技术进展来判定,目前,市场中售卖的纯电动车采用的锂离子或锂聚合物电池,绝大多数均属于液态/凝胶态电池,只是由于正极材料的不同,又分为了NCA、NCM等不同的电池种类。而这些元素的不同特性,又会决定不同种类电池之间的能量密度有所差异。

随着技术水平的不断提升,进入2019年以来,越来越多的车型开始配备能量密度更高的NCM811电池。

811的含义是什么?这三个数字指代的是三元锂电池正极材料中镍钴锰或镍钴铝的配比为8:1:1,因此811电池即三元锂电池中的一个细分类型。

需要解释的是,这三种元素中,镍的比重越高电池能量密度就越高,但镍也是金属活性高的元素,因此它的比重越大电池的安全性也就越低。而钴元素在三元锂电池中也起到至关重要的作用,钴元素可以提高电池的稳定性,同时增加电池的循环寿命。

综合以上信息可以看出,目前最先进的811电池拥有低稳定性,高能量密度的“双重人格”,虽然暂时能够满足汽车厂商对于车辆续航里程的需求,但安全性注定是个极大的隐患。且在此之后,除了参照特斯拉NCA(A为铝元素)三种元素9:0.5:0.5的配比进行升级外,这种传统意义上的三元锂电池也很难再有更多的上升空间。权衡利弊之后,发展全新形态的电池技术,也理所当然成为了技术专家主攻的方向。

那么,既然电池种类成百上千,为什么大家偏偏会选中全固态电池?

查阅相关资料发现,相比于现阶段的液态电池,全固态电池的优势极其明显,尤其是在安全层面上,液态锂电池于过度快充时会产生“枝晶”,刺穿内部隔膜引发电池短路而起火爆炸的危险。而理论上,固态锂电池则可避免此危险发生。

而在工作原理上,其固态的电解质具有的密度以及结构,可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量和能量密度。

除此之外,固态电池的优势可总结为:

1)循环寿命长

2)工作温度范围宽

3)薄膜柔性化

4)回收方便

5)可快速充电

6)与电极材料相容性好

7)耐潮湿环境

而相对应的,全固态电池的缺点只有成本高、产能低这些自身属性之外的因素而已。

丰田、宁德时代领衔,固态电池研发进行时

虽然全固态电池的产品优势颇多,但至今还没有任何一家企业能将这项技术真正用于实践,由此可见其研发环节的挑战。而一个更鲜明的例证就是,虽然全球范围内开展固态电池研究的机构很多,但彼此之间的研发进展还存在着较大差异。

根据不完全统计,全球范围内约有 50 多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术。其中,中国院校发表的相关SCI 文章居世界首位,而在国际发明专利方面,日本则占据了全球范围内的一半以上,丰田更是以26项专利占据了单一机构中的首位。除此之外,在欧美地区,专攻这一领域的创业公司数量也开始逐渐增多。

如果按照地区划分,固态电池的海外发展大致集中在法国Bolloré、美国 Sakit3、日本丰田这“三巨头”身上。他们之中,法国的Bollore的资历又是最老。

早在2011年10月,Bolloré就开始利用自主开发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”,在法国巴黎及其郊外提供汽车共享服务“Autolib”,几年来已累计投入了 3000 辆搭载 30 kWh的由 BatScap 制造的固态电池,但尚且没有在乘用车领域展开攻势。

美国Sakti3致力于电池技术的研究已有 20 年,并且拥有 70 余项专利。2015 年 10 月,被真空吸尘器创新者戴森以 9000 万美金的价格全资收购,以解决应用在其产品中的可充电锂离子电池续航时间不够长、安全性有限的问题。

Sakti3 目前存在的最大问题是其采用薄膜沉淀工艺的制造技术,这就造成其成本居高不下,且在未来降低成本的可能性也不算太大。因此在现阶段,其产品只能应用于小型家电之中。

与欧美不同,日本则采取 38 家机构联合的方式研发全固态锂电池,丰田是其中的龙头。2018年4月启动的该项目预计总投资 100 亿日元,联合机构包括了丰田、本田、日产、松下等 23 家汽车、电池和材料企业,以及京都大学、日本理化学研究所等 15 家学术机构将共同参与研究,计划到2022 年全面掌握全固态电池相关技术。在全球范围内,这家规模最大的联合机构普遍最被看好。

回到国内,由宁德时代领衔的“五小龙”(宁德时代、江苏清陶、珈伟股份、赣锋锂业、北京卫蓝)也早已对全固态电池展开深入研究,但发展路径却存在很大差异。

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CATL 以硫化物电解质为主要研发方向。目前,容量为 325 mAh能量密度为 300 Wh/kg 的聚合物锂金属固态电池 300 周循环以上剩余 82%,但也由此可见,距离真正投入商业化尚有一定的差距。

中场逼近,固态电池路在何方?

既然每家企业都无法做到独当一面,那么固态电池大规模应用于量产电动车究竟有多遥远?在这个问题上,不同主机厂给出的答案,是不一样的。

“保守派”如大众汽车。大众汽车集团管理董事会主席迪斯在接受汽车头条APP采访时明确表示,关于全固态电池量产或工业化生产的规划将在2023年至2024年间实施,虽然还有几年时间,但与大众汽车集团的整体发展步调保持一致。

而在技术领域上,大众汽车品牌电池卓越中心负责人Frank Blome的态度则更加保守。他向在场媒体坦言,坚信有朝一日固态电池会投放市场,但至今,大众还没有在电解质材料上做出最终的决定。因此,固态电池产品化或投入到整车之中,最早也要到2025年。

“激进派”如丰田。在丰田电动化战略,也就是到2025年丰田旗下所有车型,包括雷克萨斯车型全部都要完成新能源化的目标下,丰田汽车执行副总裁,研发主管寺师茂树曾公开表示,研发新型固态电池的节奏要逐步加快,并预计将于2020年的夏季奥运会到来之前正式推出市场。

这一方案,比大众至少提前了3年。但能否如愿实现,目前看来尚无定论。

的确,相比欧美等新创企业而言,丰田在固态电池领域的探索要早得多,同时投入的精力也更多。在坚定地侧重于硫化物固态电池研发工作多年后丰田通过基础技术,已经实现了将全固态电池的体积功率密度提高到约2.5 kW / L。与此同时,体积能量密度成功地提高到了高达约400wh/ L,相当于2010年左右的锂离子电池(LIB)大约2倍的水平。

但实验数据毕竟无法与商业化直接划等号。今年6月,丰田汽车公司宣布与中国电池制造商宁德时代合作,以加快向电动汽车的转变。而在合作项目上,固态电池位列其中,这一点似乎更加耐人寻味。

据知情人士透露,这很有可能是丰田固态电池研发进展不如预期,甚至可能不理想,至少短期内无法实现量产。但与宁德时代直接挂钩,以为着中国团队科研力量的加盟。竞争优势提升之后,丰田如愿完成2020年的技术落地也并非无法完成。

兵马未动粮草先行,相比之下,大众在固态电池的发展进度上看似落后,实则更早地在商业模式上展开了探索。

为摆脱亚洲电池制造商的依赖,同时在电池领域取得领先技术,今年6月份,大众集团宣布向美国加州科技公司QuantumScape公司投资1亿美元,共同建立一家合资公司用来研究固态电池技术,大众派遣一位高管担任QuantumScape董事会成员。按照计划,双方落实固态电池的时间点是2025年,与Frank Blome所述的时间点相吻合。

值得一提的是,大众早在2014年12月已经持有QuantumScape公司5%的股权,此次大众再次注资1亿美元,大众集团已成为QuantumScape公司最大股东。这也表明,大众集团已经将固态电池的“主动权”攥在了手中。

与此同时,在电池供应各方面,大众集团也在始终坚持用“两条腿走路”。在保证集团内部设立研发机构的同时,与供应商保持合作,并和Northvolt这样的合作伙伴建立合资企业生产电池。这些,的确对于确保电池的供应起到关键作用。不过,至于合纵联盟能否出其不意,最终还要倚仗于每家企业的研发进度究竟如何。

总结一句话,在技术真正落地之前,一切结果都是举棋不定。

从整体来看,固态电池现在的制备技术成熟度还有待加强,能形成规模产能的企业有限,技术规模化扩产需要克服的困难还有很多。仅凭借业界公认的“2021年,半固态电池将投入商业化”的观点判断,全固态电池似乎离我们还很遥远。

但不论是丰田的2020计划,还是大众的2025之约,两家进展不尽相同的企业已经说明了一个问题:未来的电动汽车,大概率将是固态电池为技术主导的产物。

原标题:固态电池“中场战事”:丰田向左,大众向右

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