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【芯智驾】全产业都在押注的固态电池 能解决电动车的续航焦虑吗?

来源:爱集微

#芯智驾#

06-15 10:47

芯智驾──集萃产学研企名家观点,全面剖析AI芯片、第三代半导体等在汽车大变形时代的机会与挑战!

自纯电动汽车诞生开始,就一直在面对“续航焦虑”。如果不能在续航里程上超过传统汽车,改朝换代就不能真正完成。

突破续航里程的瓶颈就在电池技术上,现有锂电池潜力已快被挖掘殆尽,必须要找到新的替代品。业界已经提出了几种候选方案,目前看来最有希望的就是固态电池。围绕这种高效、安全的电池界的明日之星,激烈的商业角逐已经拉开了帷幕。

全产业链都在布局

顾名思义,固态电池就是使用固体电解质替代传统锂离子电池的电解液和隔膜。其优势在于:电化学窗口可达5V以上,高于液态锂电池(4.2V),允许匹配高能正极和金属锂负极,大幅提升理论能量密度;可简化封装、冷却系统,在有限空间进一步缩减电池重量,体积能量密度较液态锂电池(石墨负极)提升70%以上,达到500Wh/kg;大大降低热失控风险,提高了电池的安全性。

输在了起跑线上的传统车企希望在中场能重获优势,不约而同地将宝押在了固态电池技术上。

在2012年就开始研究固态电池的丰田,目前已拥有相关专利1000多项。其将在今年推出一款全新的固态电池,可提供500公里续航,10 分钟内就可以从空电充到满电。丰田计划于2021年推出搭载该电池的原型车,在2025年实现量产。

与丰田不同,更多的欧美车企还是选择与专业的初创公司合作。大众公司就为初创公司Quantum Scape累计注资3亿美元。5月14日,Quantum Scape宣布,将在2021年内确定与大众合资设置试生产线的地点。

据报道,Quantum Scape的全固态电池使用金属锂作为负极,续航距离能比锂电池延长1.8倍,达到730公里,充电15分钟即可达到总电量的80%;而且不易劣化,行驶38万公里之后仍能保持容量的80%。大众宣称,通过Quantum Scape的固态电池,大众可实现e-Golf综合续航里程从300公里提升至750公里。

宝马和福特也对美国新创企业Solid Power扩大出资。按计划,宝马和福特分别将在2022年向Solid Power采购试验车的固态电池。

整车厂以外,分布在供应链上的各日系厂商对固态电池也表现了很高的积极性。

近期,村田就在业绩发布会上表示,在截至2022年3月的财政年度中,公司将在上半年小批量生产全固态电池,下半年将扩大产量,目标月产能为10万件。

TDK也已开始量产使用陶瓷技术的超小型全固态电池,并面向烹饪用温度计等供货。如果固态电池技术通过这些民用产品获得验证,就可以顺利进入汽车产业。

据日经报道,日本化工企业一直掌握着锂电池的 “正极材料”、“负极材料”、“隔膜”、“电解液”4种主要材料,被认为其优势也能在固态电池领域发挥作用。对日本的零部件厂商和材料企业来说,正式拉开序幕的电池革新是一次良机。

韩国也制定了在2025年实现全固态电池商业化的目标。早在2018年11月,韩国三大电池企业LG化学、三星SDI和SKI就组成联盟,共同开发包括固态电池的下一代电池核心技术。

2020年12月,LG化学电池事业部分拆完成,LG Energy Solution(LG能源解决方案)正式成立,目标直指全固态电池和锂硫电池等新一代电池技术的开发。

在国内,宁德时代、国轩高科、赣锋锂业、天齐锂业等锂电企业,比亚迪、蔚来、长城汽车、北汽集团等车企也参与了固态电池的研究。

2021年1月9日,在蔚来举办的“2020 NIO Day”上,其首款轿车ET7就搭载了150KWh的固态电池,并称将在2022年4季度量产。

宁德时代则在近期接受机构调研时表示,公司研发固态电池多年,处于第一梯队,可做出固态电池样品

而另一产业巨头比亚迪则通过国家知识产权局公布了 283 项专利,其中就涉及到了固态电池的开发。

为什么厂商们都热衷于开发固态电池,业内人士认为这都源于在电动化时代掉队的焦虑感。不过,由于目前固态电池成本很高、技术复杂,并不是每家企业最终都能获得成功。

技术路线与商业化

固态电池没有在动力电池市场大规模商用,其主要原因在于成本过高,生产工艺复杂,且上下游还没有形成一条完整的产业链。

按照技术来划分,目前已经在使用或接近商用的固态电池的电解质有聚合物、硫化物和氧化物三种。

日韩企业多采用硫化物固态电解质技术路线,中国企业以氧化物路线为主,欧美企业则在三种路线的选择上更为均衡,如Solid Power主要研发基于硫化物的全固体电池,Quantum Scape固态电池走的是氧化物路线。

相比较而言,氧化物材料的柔韧性比较差,界面接触较差,这会导致界面阻抗增加;聚合物则存在着导电率过低的问题,比现在液态电解质的导电率低4-5个数量级;硫化物固态电池则面临电解质对空气敏感、制造条件苛刻、原材料昂贵、规模化生产技术不成熟等问题。

而要将这些难点攻克,让固态电池走出实验室,量产应用到动力电池领域,还需要很长一段时间。业界普遍的看法是,受当前技术水平的限制,距离固态电池规模化量产预计还需要5-10年时间。

最主要的挑战是固态电解质中离子扩散的速度比液态难10倍。宁德时代的创始人曾毓群曾在接受采访时表示,从技术角度看,宁德时代固态电池持续研究了6、7年,技术水平一定在第一梯队,但商业化还要相当多的时间。

曾毓群认为,离子扩散难度、扩散系数及扩散距离是固态电池面临的问题之一。因为固态离子扩散速度是液态的十分之一,所以要把功率做大,只能将固态材料颗粒纳米化,然而纳米化后,多孔电极需要更多的粘接剂,层与层之间变得更薄,又需要更多的集流体。整体而言,根据目前的水平,能量密度反而比液态低约40%,成本却更高。

宁德时代的固态电池技术以锂硫化物化物为电解质的主要成分,通过添加硼元素来提高电解质的电导率,改善电池的循环性能。

与之相对,国内的另一巨头比亚迪则采用了锂氧化物作为全固态电池的电解质,这类电解质本身的电导率极低,但是比亚迪通过自己的专利技术提高了锂氧化物的电导率和力学强度,使得固态电池具有更加优异的电池循环性能和高倍率充放电性能。

有业内人士做出分析,宁德时代的固态电池将会在能量密度上具有一定的优势,而比亚迪则更加看重电芯的安全性和可靠性。这种分歧也反映了厂商对固态电池技术的理解还存在很大差异。

除此之外,制造固态电池还要同时满足高能量密度(1000 Wh/L)、快速充电、长循环寿命和广泛温度范围的要求。

因此,实现固态电池的商业化也不可能一步到位。比如,蔚来汽车所用的固态电池其实是固液混合电池或者半固态电池。这就是固态电池到来前的一个过渡方案,也就是同时使用固态电解质和电解液,但是两者混合的比例和安全性目前在国际上还没有定论。

全固态电池当前的成本被认为比锂电池高4倍以上。彭博新能源财经预计,固态电池将首先在高端电动汽车中采用,其成本将在2032年逐渐下降至与传统锂离子电池的同等水平。

不过,即使成本下降,固态电池的能量密度和寿命仍需在实际应用中得到多年反复的证明。牛津大学教授Peter Bruce就认为:“固态电池的确进步很大,但还有很多问题要解决。只有当固态电池比锂电池明显强很多时,汽车企业才会全面接受它。”

(校对/Andrew)

责编: 慕容素娟

李延

作者

微信:Glxy523

邮箱:lixy@lunion.com.cn

作者简介

集微网记者,关注半导体投资、晶圆制造、IC设计、AI等领域

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