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半固态电池,可能就是电动车的终点
阅读 3304 | 评论 0新闻来源:汽车公社编辑:auto发布时间:2022-05-31 11:29:00

最近,“硅阳极固态电池”这个词的热度冉冉升起。

这是奔驰工程师宣布的。奔驰旗下的奔驰EQG车型将搭载硅阳极固态电池,据悉,其能量密度将高达800Wh/L(400 Wh/kg左右),远超传统动力电池。考虑到EQG要2025年才推向市场,只能说“听了个寂寞”。

不过,硅阳极看起来是替代目前锂电池的石墨阳极(也就是负极)的理想材料,因为不需要改造现有的电池工艺和制造设备。在解决硅的膨胀问题后,硅阳极的优势正在体现。虽然奔驰的这个技术还属于实验室阶段,但硅阳极与固态电池放在一起,让业内再次充满想象。

同样准备研发硅阳极材料的,还有韩国浦项控股(POSCO Holdings)。近日,浦项控股决定对台湾辉能科技(Prologium)进行投资,研发新一代电池所使用的核心材料。双方将共同开发阴极材料、硅阳极材料、固态电解质等,并建立一个全球供应系统。

成立于2006年的辉能科技,2012年就开发出了固态电池。而且,辉能科技还与梅赛德斯-奔驰等主要汽车制造商合作,共同开发电动汽车所用的固态电池。

不过,从目前来看,“看上去很美”的全固态电池的发展之路依然非常遥远,离大规模量产应用至少还有5~10年,且充满变数。也有很多专业人士预判,全固态电池要10年后才具备完全商业化条件,甚至更远。就连宁德时代、本田等都预测全固态电池2030年左右才可能在车上应用。

这就很耐人寻味了。虽然技术难度这么大,为什么大家一窝蜂地去开发固态电池呢?何况,满天飞的“固态电池”量产消息下,却都是“暗度陈仓”的固液混合的半固态电池?

究竟有多难

先简单交代下全固态电池的概念。这里面的弯弯绕还不少。

现在通常我们所谓的全固态电池,是相对于现在的液态电解质锂电池而言的。也就是,使用固态正负极材料和固态电解质的电池。而目前固态电解质的路线,主流的有三种,聚合物路线、氧化物路线(欧美为主)和硫化物路线(日系为主)。

不过具体的分类上面有不同的看法。比如,去年宁德时代21C创新实验室前瞻技术部部长郭永胜表示,“真正造固态电池以后,按照正负极来分,我把它分成三代。”

第一代,就是现在传统的液态电解液换成固态电解质,正负极和原先一模一样不变。第二代,改变负极,负极不用石墨、硅,换用金属锂来提升能量密度,正极不变。第三代,正负极都改变,比如负极用金属锂,正极换成不含锂的高能量材料。

如果从这个角度来看,目前业内在发展的第一代比较多。而文章开头奔驰与其投资的Sila Nano合作研发的Whoop Strap 4.0硅阳极固态电池,实际上是要换掉负极,克服锂金属负极的缺陷,也算是第二代。

其实,业内有很多专业人士对于全固态电池不报什么希望。比如,浙江锋锂新能源总经理许晓雄就认为,固液混合的半固态电池可能是车用动力电池的终极路线。

也有坚决放弃固态电池路线的。“我们完全放弃了固态电池,因为真的无法落地。”美国电动汽车初创企业Fisker的创始人亨里克·菲斯克去年年底很无奈地说道。这种技术,是“当你觉得已经完成了90%,几乎达到目标时,然后你意识到剩下的10%比前面的90%困难得多。”

而另一家固态电池生产商SES(麻省固能)也放弃了全固态电池。据SES创始人胡启朝介绍,2015年前,SES主要从事固态锂金属电池的研发。但是,“很多车企和动力电池企业逐步意识到,这是一个遥远的梦,为此我们于2015年停止固态锂金属电池研发,进而转向混合锂金属电池研发。”

而胡启朝所谓的“固态锂金属电池”,其实就是金属锂做负极的固态电池。而对于第一代固态锂离子电池(石墨、硅做负极),SES认为“目前已经商业化,但优势并不明显,能量密度、生产工艺和锂离子电池相比没有明显提高。”这从另一方面说明了行业现状。

根据市场研究机构SNE Research测算显示,2030年全球固态电池需求有望接近500GWh。其中,2025年固态电池全球市场有望达60亿元,我国市场份额有望达30亿元,2030年达200亿元。但是,如果拿现有的动力电池市场规模来对比一下就知道,固态电池不过是杯水车薪。

就目前固态电池的商业化进程来看,呈现两极分化的状态。一方面是业内不断爆出各大企业不断“加注”投入研发全固态电池的消息,一方面更多的是像SES这样,放弃量产难度非常大的全固态锂金属电池,转而选择了固液混合的半固态电池量产路线。

2021年11月,SES宣布自己研发出容量高达107Ah,重量仅0.982 Kg,能量密度为417 Wh/kg(935 Wh/L)的Apollo™混合锂金属电池。此外,SES还在上海建设产能为1GWh的超级工厂,计划于2023年竣工。

对于SES来说,其半固态电池与目前主流的液态锂离子电池有60%左右的材料、生产制造工艺等产业链是共用的,且能量密度、安全性等有明显优势,循环寿命也有不错的表现。虽然需要改造产线,量产以后,能尽快收回投资成本。

就算奔驰,也在做着半固态电池的准备工作。2021年12月,曾有媒体报道称,孚能科技固液混合的半固态电池(A样)已送交给奔驰,消息称“此次送去德国的是能量密度达330Wh/kg的孚能半固态电池第一代产品,将在不久后开始测试电池原型产品。”

半固态电池刚刚好

实际上不管什么电池,能不能大规模量产装车才见真章。这样看来,全固态电池现在还处在“讲故事”的阶段,估计得讲个十年八年的。

而打着“固态电池”擦边球的固液混合半固态电池,2021年以来已经频频亮相,不断传来量产的好消息。而且,现在大部分的企业都是从营销角度蹭“固态电池”热点,导致固态电池概念满天飞,实际上有很多是暗度陈仓。

从年初蔚来发布的“只听楼梯响”的360Wh/kg半固态电池包,到卫蓝新能源、国轩高科的固液混合电池参数曝光,以及SES的固液混合锂金属电池,江西赣锋锂电第一代半固态电池装车东风E70,都表明了半固态电池的量产明显加速。

而已经交付50辆网约车的东风E70,其使用的是赣锋锂电第一代能量密度在260Wh/kg左右的固液混合锂电池。目前,赣锋锂电已建成0.3GWh混合固液锂离子电池生产线并投入使用,具备批量化生产能力。

此外,赣锋锂电宣称,第二代半固态电池单体能量密度将达到360Wh/kg,2021年一季度已完成B样开发,2023年一季度完成SOP阶段。不过,原先预计2022年一季度将完成C样开发,现在看来没什么动静。

而另一家电池商国轩高科,其董事长李缜2021年11月公开表示,公司为国内某高端纯电动汽车配套的半固态电池实现了续航里程超1000公里,比其第一代车型提高了一倍。此外,国轩高科透露,其半固态电池预计将在2022年四季度开始小批量量产装车,在2023年实现产业化。

所以,半固态电池相对于全固态电池,时间优势和成本优势是明显的。而且关键在于,半固态可以提高安全性(安全性是相对的,超过一定的节点后,更高的安全也无意义)。从业内研发固态电解质的目的来说,首先就是为了解决安全性问题,解决安全性问题之后,才敢去提升。

值得注意的是,固态电池也存在安全隐患。将于2024年在日本横滨建立首家全固态电池试点工厂的日产汽车,其负责先进电池研发的副总裁土井三浩(Kazuhiro Doi)就说,“固态电池的能量密度是目前锂离子电池的两倍,因此就像一个更危险的潜在炸弹。如果发生重大事故,固态电池可能会比现在的电池更具灾难性。”所以,需要针对固态电池进行更加全面的安全验证。

从制造层面来说,以卫蓝新能源的半固态电池为例,其制造工艺流程和装备与目前锂电池的90%以上通用。当然,关键的工艺环节,比如混料、注液和原位固态化等环节,操作方式和现在的锂电池不一样,成本会增加很多。但是,这个成本是远远低于全固态电池的。

此外,全固态的应用还有很多问题,比如低温性能、成本、规模化量产的装备突破等,包括很多的技术难关需要解决,如固态电解质的离子电导率较低、固固接触界面的阻抗上升等。

这里解释下“固固接触界面的阻抗上升”,这个问题分为物理层面和化学层面。物理层面,由于电池充放电循环中材料会发生体积变大或变小,产生“枝晶”问题,而正极和电解质的颗粒与颗粒之间、层与层之间容易产生缝隙,造成接触不良影响离子和电子的传输,导致电池阻抗增加,容易发生极化问题,电池的倍率性能下降。

所以,无论从设备兼容性、成本控制、技术实现以及性能表现,固液混合电池都完胜量产还没有影子的全固态电池,也算是液态锂离子电池的现实“平替”对象。

其实,从常识来说,自然界能让能量流动的物质,几乎都是液态,固态天然就没有流动性。

所以,全固态电池有可能真的是个永远到不了终点的概念。而固液混合的半固态电池可能才是现实的终极路线。

毕竟,续航能超过1000公里的半固态电池,无论是性能还是成本都能达到要求的话,又何必舍近求远再去搞全固态电池呢?



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