以固態(tài)電池為核心的不同發(fā)展路線
由于固態(tài)電池的故事改變了人類儲能方式,誰攻克了它,,就能掌握新能源動力的核心,。
日韓傾舉國之力推進硫化物材料技術路線,歐洲走聚合物,,而中國主要走氧化物路線,,美國則是以創(chuàng)業(yè)公司為主,同時推進多條路線,。
在實驗室里,,可以用制造芯片的納米級精度設備與工藝,來制備樣品,,但對大規(guī)模生產就過于昂貴了,。
但如果用更便宜的手段,還能否保持高良品率,,也是未知數(shù),。
未來鋰電池的主流技術路徑屬于固態(tài)電池
長期以來,續(xù)航和快充是新能源車的阿克琉斯之踵,,里程焦慮是令人尷尬的[常態(tài)],。
根據國家2020年10月發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》,我國純電動汽車動力電池的能量密度,,2025年目標為400Wh/kg,,2030年目標為500Wh/kg。
這對于現(xiàn)在的液態(tài)鋰電池技術來講是困難重重,。
電解質,、正極等材料均沒有出現(xiàn)顛覆性替代的產品,沒有形成產業(yè)基礎。
隨著下游應用領域的不斷擴展和需求增長,,對鋰電池行業(yè)提出了愈來愈高的要求,,鋰電池技術不斷進步,向更高性能及安全性進發(fā),。
其中較為明顯的優(yōu)勢有:
①固態(tài)電解質具有不易燃,、無腐蝕、無揮發(fā)等特性,,在安全性方面遠優(yōu)于液態(tài)電池,;
②能量密度更高,理論上固態(tài)電池的能量密度可以達到400-500Wh/kg,,進而提升電動車輛的續(xù)航能力,;
③由于固態(tài)電解質取代正負極之間的隔膜電解液,使得電池更薄,、體積更小,,全固態(tài)電池技術也是電池小型化、薄膜化的必經之路,。
三大路徑優(yōu)勢與缺點都明顯
目前主流的三種技術路徑分別是:硫化物,、氧化物和聚合物。
①聚合物
聚合物最初被認為是合適的候選材料,,最早實現(xiàn)固態(tài)電池裝車測試,。
聚合物的優(yōu)點是易加工,與現(xiàn)有的液態(tài)電解液的生產設備,、工藝都比較兼容,,它的機械性能好比較柔軟。
但它的缺點也十分致命,,首先是電導率太低,,需要加熱到60度高溫才能正常工作;
其次是與鋰金屬的穩(wěn)定性較差,,導致它沒有辦法適配于高電壓的正極材料,,所以限定了它的能量密度。
因此,,聚合物雖然是三條技術路線中最早開始推進商業(yè)化應用的,,但到現(xiàn)在也沒有大面積鋪開。
②硫化物
硫化物三種材料體系中電導率最高的,,并且電化學穩(wěn)定窗口較寬(5V以上),,但熱動力穩(wěn)定性很差,如何保持高穩(wěn)定性是一大難題,。
硫化物是全固態(tài)電池中潛力最大的,,諸多動力電池巨頭(豐田、LG、松下等)選擇其為主要技術路徑,。
③氧化物
氧化物具有較好的導電性和穩(wěn)定性,,并且離子電導率比聚合物更高,熱穩(wěn)定性高達1000度,,同時機械穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性也都非常好,。
但氧化物的缺點是,相對于硫化物,,電導率還是偏低的,,這使得在性能中會遇到容量、倍率性能受限等一系列問題,。
這些核心問題導致氧化物體系不大可能是全固態(tài)電池,。
國內以固液混合技術路線為主
目前國內都在研發(fā)的,其實是固液混合方向,,既有氧化物的固態(tài)電解質層,,又有電解液浸潤,這樣能夠填充孔隙,,讓它有完好的導鋰通道,。
中國主要押注的是氧化物路線,中國四大頭部固態(tài)電池公司(北京衛(wèi)藍,、江蘇清陶、寧波鋒鋰,、臺灣輝能),,都是以氧化物材料為基礎的固液混合技術路線為主。
固液混合并不是一個過渡技術,,它可以算是固態(tài)電池的一種,,甚至如果全固態(tài)電池走不通的話,也有可能成為一個最終的解決方案,,這些現(xiàn)在都還很難準確預測,。
目前,其實不少材料能產生不錯的實驗數(shù)據,,但離上車應用與規(guī)?;a都還有很遠的距離。
固態(tài)電池的技術路徑并非絕對,,不同特性能適應不同場景,。
固態(tài)電池的產業(yè)化路徑
雖然固態(tài)電池概念起源較早,部分企業(yè)也很早在固態(tài)電池領域持續(xù)布局,,但目前行業(yè)仍然面臨前述的諸多挑戰(zhàn),,現(xiàn)階段全固態(tài)電池產業(yè)化舉步維艱。
從行業(yè)發(fā)展策略分析,預計固態(tài)電池的發(fā)展路徑基本遵循逐步降低電解質中液體含量,、由半固態(tài)向全固態(tài)進步的大方向,。
電解質體系中的液體含量將逐步從25%降至0%,而負極材料將同步從現(xiàn)有的石墨負極逐步向鋰金屬負極過度,,能量密度大幅提升,,安全性能有效改善。
短期之內,,由于半固態(tài)電池與現(xiàn)有鋰電制作工藝基本兼容,,對現(xiàn)有產業(yè)鏈沖擊較小,預計未來2—3年其有望伴隨超長續(xù)航電動車的推出實現(xiàn)量產,。
初創(chuàng)企業(yè)以衛(wèi)藍新能源(氧化物),、清陶能源(氧化物)、恩能新能源(硫化物)為代表,;傳統(tǒng)鋰電巨頭包括寧德時代(硫化物),、比亞迪(硫化物)、贛鋒鋰業(yè)(氧化物),。
蘋果想從基帶芯片中降低產品成本規(guī)模量產處于龜速爬行
相較于其他鋰離子動力電池,,固態(tài)電池的技術指標比較優(yōu)越,但這些數(shù)據也是實驗室里面的溫室指標,。
在實際量產的過程中,,仍然存在許多尚未攻克的瓶頸。
①固態(tài)電解質的離子導電率較低,,充電比較慢,,固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差,電解質對空氣敏感等問題,。
②制造工藝復雜,,生產工藝不成熟。舉例來說,,制造固態(tài)電池的氧化物和硫化物電解質,,屬于多孔隙的陶瓷材料,想要加工成很薄的電解質很困難,,稍有不慎就會斷裂,。
③全固態(tài)電池的制備工藝復雜,且固體電解質較貴,,現(xiàn)階段全固態(tài)電解質鋰動力電池的成本較高,。
④現(xiàn)階段的固態(tài)電池多是實驗室中的溫室產品,實際落地經過測試的電池屈指可數(shù),,以現(xiàn)有的工藝水平和設備能力,,成品的良率也無法保障,,更不用說大規(guī)模的量產上市。
技術路徑差異最后落到成本頭上
固態(tài)電池的成本高昂受限于兩點:
①原材料的成本問題,,例如鋰硫化物的價格是碳酸鋰的5-10倍左右,;
②固態(tài)電池對于生產環(huán)境與原材料純度的要求極高,會導致對于生產設備的投資較高,。
原材料成本持續(xù)飆漲,,已經成為限制動力電池發(fā)展的最大攔路虎。
基于目前的情況來說,,韓國研究機構SNE預計全固態(tài)電池的成本,,至少會是鋰離子電池的兩倍。
①低成本固態(tài)電解質材料問題,,綜合性質優(yōu)異的滿足大規(guī)模應用需求的低成本電解質材料仍較缺乏,。
②電解質與正負極材料的界面匹配性問題,正負極材料與固態(tài)電解質界面存在化學,、電化學不兼容的問題,。
③大容量電池工程化制備工藝及專用設備問題,滿足大規(guī)模工業(yè)化生產的電池制備工藝及關鍵設備有待進一步開發(fā),。
④循環(huán)過程中的界面穩(wěn)定性問題,,正負極材料與固態(tài)電解質存在力學不兼容,固-固界面隨循環(huán)剝離,。
結尾:
無論企業(yè)是仍然堅持全固態(tài)電池路線,,還是折中選擇半固態(tài)路線,固態(tài)電池的技術路線都存在不確定性,。
行業(yè)內的主流觀點認為,,半固態(tài)電池或許能夠在2025年左右實現(xiàn)大規(guī)模量產,但全固態(tài)電池完全實現(xiàn)商業(yè)化至少還要10年的時間,。
十年的時間線發(fā)展,,固態(tài)電池最終到底是不是動力電池的終極路線,,也沒人能百分百確定,。
部分資料參考:經緯創(chuàng)投:《固態(tài)電池三大技術路線爭霸,誰能穿透迷霧看到終局》,,松禾資本:《鋰電池的新浪潮:固態(tài)電池的突破與創(chuàng)新》,,腦極體:《電池革命:固態(tài)電池量產還有多遠?》,,阿爾法工場研究院:《鋰電池的技術路線里,,藏著下一座金礦》,C次元:《固態(tài)電池:手上“割韭菜”,,口號“做大菜”》