CES迎固态电池 它将成为电动车未来的BUG?

来源:网通社| 2018-01-15 08:57:30| 作者:张屹鹏

  前些天在拉斯维加斯举办的2018 CES(国际消费电子展)可是赚足了我们的眼球,当然不是因为突发其来的场馆停电..而是一大批有意思的新科技发布亮相。其中,有家车企不得不关注,它就是Fisker,在带来全新电动跑车Emotion的同时,还推出了柔性固态电池材料,这东西有什么厉害的,先来看看Fisker怎么说。

  不久前Fisker宣称,他们要做的固态电池已经申请了专利,其能量密度是传统锂电池的2.5倍,续航里程可以超过600公里,最高时速能够超过250公里/时,并且具备9分钟恢复160公里的续航能力。Fisker Emotion所搭载的石墨烯固态电池用一系列的数字震撼着电动车市场,这回咱们就来聊聊固态电池,这货到底是不是未来的BUG级技术?

  想了解固态电池,就得先知道我们身边常用的液体电解质锂电池是怎么个工作原理。说起来很简单,业内把它称为“摇椅式电池”,摇椅的两端可以被看作是电池的正、负极,而中间的部分就是液态电解质。锂离子就像上学时参加体育考试的我们,在两端进行折返跑测试,正-负-正,就是一个完成的充放电过程。所以,固态电池与传统的锂电池最明显的区别,就是前者采用的电解质为固态结构。

  虽然对液态锂电池有了认知,但对于我们去探索固态电池还不够,还需要知道锂电池的材料到底用的都是什么?

  通常来说,锂离子电池由正极、负极、隔膜、电解液等部分组成,无论是最初的镍氢电池、锰酸锂电池、后来的磷酸铁锂电池,还是如今已广为人知的三元锂电池(镍钴锰和镍钴铝),这些在化学课上曾见过的化学名词,说的其实都是电池的正极材料,对电芯能力密度影响最大的就是它。而对于负极材料来说,目前应用最多的是石墨。

  众所周知,磷酸铁锂电池在能量密度方面的提升空间已非常有限,不提升能量密度,就无法提升电动车的续航里程。于是,动力电池的生产企业已经开始由磷酸铁锂电池全面倒向三元锂电池的优化升级,比如调整内部材料的比例、采用新材料替代石墨负极材料、提升隔膜性能等等。但是,从长远来看,这些方式都很难让三元锂电池的能量密度突破300Wh/kg,即便可以,短期内也只是停留在实验室阶段。

  那么,这个行业内普遍认同的研发瓶颈出现后,应该如何捅破天花板完成未来目标呢?(2020年350Wh/kg,2025年400Wh/kg,2030年500Wh/kg),下面就轮到固态电池登场了!

  从工作原理上看,固态电池与传统电解液锂电池并无明显区别,他的优势也很容易理解,就是锂离子电池发展的两大重要方向:1.能量密度更高、2.运行更安全。

  首先因为自身结构特点的原因,固态电池可以让更多带电离子聚集在一端,带来的好处是能够传导更大的电流,电池容量便会随之提升。从材料方面理解就更为直观,使用固态电解质的锂电池终于可以摆脱石墨材料的束缚,转而去采用金属锂作为负极。这个看似简单的改变,实际上大幅减少了负极材料的使用量,从而让电池能力密度得到明显提升。一个锂电池就这么大,但是要被隔膜和电解液占据接近七成的质量,这意味着什么?意味着汽车这种每天在路上跑的交通工具,要扛着越来越重的电池包,续航里程的上升曲线到最后只有回归水平一个结果。但是,如果液态电解质被固态结构取代,正负极之间的距离将大幅缩减,甚至只有几到十几个微米,使得整个电池系统的能力密度大大提升。从现在的试验数据看,300-400Wh/kg能量密度的全固态电池已经不在话下,有人预测未来达到900Wh/kg也不是没有可能。

  除了能量密度质的升级,固态电池还有更安全的特点。固态电解质本身是不可燃、无腐蚀、不挥发的,并且不存在液态电解质的漏液问题。此外,由于无需隔膜隔开正负极,所以不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路。所以,固态电池可以在更高温(可长期在60-120°C温度下)、更大电流、更高电压下工作,较液态电解质锂电池应用范围更加广泛。

  人无完人,任何事物也不可能是完美无缺的,这种有点像BUG的电解液结构难道就没有技术壁垒吗?答案一定是否定的!由于电解质是固态的,内阻较大,所以相对于液态电解质,常温下它的电导率要低不少。当然,也不是所有固态锂电池都解决不了这个问题,但是要以牺牲能力密度为前提,这就形成了鱼和熊掌不可兼得的局面。最后还有一个更为重要的难题:成本,据业内人士介绍,全固态电解质的成本非常昂贵,所以大批量生产会很困难。

  之所以说是全球市场,就代表着固态电池技术已经成为了各大相关企业的重要研发方向,下面咱们先聊聊海外市场。

  约翰·古迪纳夫(John Goodenough),被誉为锂电池之父,作为锂电池的奠基人之一,他将研发目光转向固态电池,成为整个固态电池研发圈子的背书。他与德克萨斯大学奥斯汀科克雷尔工程学院高级研究员玛丽亚·海伦娜·布拉加(Maria Helena Braga)合作,造出了第一个全固态电池。“成本、安全性、储能密度、充放电率以及循环寿命对于电池汽车的广泛应用至关重要。我们相信,我们的发现解决了当今电池的很多固有问题。”古迪纳夫显然对此感到非常兴奋。

  聚合物、氧化物和硫化物这三大固态电解质是固态电池最重要的发展方向,法国Bollor、美国Sakti3以及日本丰田则分别主攻其一。我们熟知的吸尘器品牌戴森在2015年收购了Sakti3,并在2016年宣布出资14亿美元兴建一座电池工厂。德国汽车零部件巨头博世也没有放弃这块未来的沃土,2015年收购了美国电池公司Seeo,之后便与日本著名的GS YUASA(汤浅)电池公司、三菱重工共同建立新工厂主攻固态锂离子电池的研发。

  去年11月份,三井金属发布了下一代的锂离子二次电池“全固态电池”,其采用的是硫化物固态电解质,并计划在2020年正式量产。对此,在新电池发布后三井金属的车企客户就表示,丰田、本田将依托此大力拓展新能源汽车业务。

  转到2017年,今年是固态电池圈儿非常热闹的一年,日立公司宣布其固态电池技术已经研发完成。“公司现在就可以提供与当前锂离子电池相同性能的固态电池,能更好的处理温度变化,拥有更长的循环寿命。”日立佐森总裁Takashi Tanisho透露,“目前已经将固态电池的样品送到了航空航天和汽车行业的潜在客户。”

  去年10月,丰田汽车公司副社长迪迪尔·勒罗伊宣称要在2025年前推出新一代电池“固态电池”,其能大幅增加电动车续航里程。他表示,丰田公司正投入200多人进行开发,并强调丰田在固态电池方面的专利为世界第一。去年底,宝马宣布与电池技术公司SolidPower建立新的合作关系,目的正是进行固态电池的研发,以用于商业化电动汽车的搭载。

  再说回国内,落笔之前,我特意就固态电池技术和宁德时代相关负责人进行了一次沟通,他表示,“固态电池是整个行业对未来的共识,宁德时代也有深入的研究,并且已经申请下来了不少相关专利。”的确,我们在翻阅宁德时代在2017年11月2日签署的招股说明书中后发现,下一代电池研发重点就是全固态锂电池,且包括固态电解质膜片及锂离子电池、锂离子电池的固态电解质材料等多项专利。当然,国内的研发团队还不止宁德时代一家,中科院青岛生物能源与过程研究所在高能量密度固态电池研究中也取得了进展,去年1月15日,他们研发的固态锂电池随中科院深海所的深潜器出海,赴马里亚纳海沟进行了全海深示范应用。不难看出,国内的固态电池研发规模和实力也在加速壮大中。当然,还远不止这些,未来还会有更多。。

  写在最后:

  纵然固态电池有着这样那样的问题和壁垒,但不可否认的是,其依旧是未来锂电池研发的最重要方向,没有之一。当然,也许在不久的将来,我们还有更厉害的锂空气电池可选,并且新能源也绝不仅仅是电力驱动一种。如今,在略显激进化的新能源发展道路上,借用宁德时代负责人的一句话,新能源车续航里程固然重要,但安全性才是最需要重视的。我始终相信鱼和熊掌不是不可兼得,只是还没有找到兼得的最好方法而已。

  (图/文 张屹鹏)

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责任编辑:NE064

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