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固态电池,薛定谔的颠覆者

【蜂耘网   电子电工】液态电池在过去十年几乎创下了电化学的奇迹:能量密度提升3倍,成本下降80%以上。电动汽车受益于液态电池技术的发展,也在全世界铺开蔓延,大有对燃油车的替代之势。

 

但眼下,阻力出现了。纯电动汽车的市场渗透率已经增长乏力,即便是曾经的销冠特斯拉,在2023年财报上无奈写道,“2024年销量增速可能会明显低于2023年。”

 

限制纯电车增速的根由,仍在动力电池身上。动辄半小时的补能时长,低温性能衰减导致北方冬季开不起来的汽车空调,以及不时烧起的熊熊大火……仍会将消费者拦在门外。

 

为了彻底解决这些问题,固态电池应运而生。理想中的固态电池,能量密度可以突破500Wh/kg,轻松6C充放电让充电效率与加油相当,电池刺穿不起火,低温能量不跳水,循环寿命过万次。

 

如果说,1990年日本Sony公司基于石墨负极让锂离子电池的正式走上商业化道路,那么接下来的2027-2030年,哪家公司率先将固态电池产业化,就意味着捧起了这条路上的终极圣杯。

 

不仅各家公司在加紧研发步伐,固态电池的押注与突破也变成了国与国之间的你追我赶,没有一个国家不想提前掌握下一代电池技术。中日韩再次同台竞赛,角逐谁先破关。

 

下一代电池技术的诞生

 

动动力电池由正极、负极、隔膜、电解液四大主材以及多种辅材构成。如今市面上所有的动力电池和消费电子类电池都可以归结为液态电池,而固态电池就是将电解液换成固态电解质。

 

固态电解质更高的热稳定性让动力电池能够使用更高能量密度的正负极材料,这也是行业中认为固态电池能比液态电池性能更优秀、更全面的主要原因。

 

因此,固态电池的技术路线从固态电解质出发主要可分为三种:聚合物、氧化物与硫化物。三种路线各有优劣。

 

聚合物的离子电导率(锂离子在正负极之间游动的速度)最低,只有加热才能提升电导率;氧化物的离子电导率要高于聚合物,但仍不如液态电解质,且材料太硬容易破碎;硫化物的离子电导率要高于液态电解质,材料较软,但缺点是容易与空气中的水发生副反应。

 

目前来看,聚合物路线几乎已被放弃,硫化物性能最好但也最难,氧化物做的人最多。

 

聚合物路线早已量产,2012年法国公司Blue Solutions就在电动大巴上应用了聚合物固态电池,但这种电池要加热到60度才能正常使用,既不具备安全性,也不具备经济性。

 

“现在全世界没有任何一家固态电池公司在做纯聚合物路线。”有固态电池从业者告诉36氪。

 

理想的固态电解质材料起码要与液态电解质的离子电导率相当,具有良好的电化学稳定性,同时制造成本偏低,容易规模量产。综合以上,硫化物最为合适,性能天花板最高,但需要克服多重困难。

 

丰田在硫化物路线上义无反顾,2012年丰田就在全球首发硫化物固态电池。2017年时,丰田宣布将在2020-2025年间,推出十款以上采用固态电池的纯电车。但事实却一再跳票。

 

2023年上半年,丰田在全球范围内甚至只卖出去了5.9万辆纯电汽车,这只是特斯拉在中国市场一个月的销量。

 

执意硫化物固态电池的丰田进展十分缓慢,电池企业们也都摸清了固态电池的量产难度,纷纷在商业化上选择了的折中方案——半固态。

 

半固态电池的初衷是量产,但要将固态电池能实现的性能稍减。简单来说,就是将固态电解质和液态电解质混合使用。

 

将半固态量产的任务落到了中国的创业公司身上,赣锋锂电、清陶能源、北京卫蓝、重庆太蓝等公司普遍选择了氧化物路线。

 

进展最快的是北京卫蓝,蔚来李斌已经直播实测了150度半固态电池包续航确实超过1000公里。数据显示,2023年全年,北京卫蓝的动力电池装机量已经达到0.8GWh,可以搭载超过5300辆ET7。

 

但半固态电池这种“取巧”的方式并不被看好,其主要技术实现路径也跟固态电池有较大差异。

 

“固态电池的核心壁垒是固态电解质,半固态电池的核心壁垒是改良后的液态电解质。”有电池研发人员告诉36氪。“这其实属于液态电池范畴。”

 

在半固态电池量产之后,市场看到了这种路线的缺陷,也出现了不少声音认为半固态电池是“鸡肋”般的存在。究其原因,半固态电池的能量密度比之液态电池并不明显,成本不低,安全性不如全固态电池。“半固态只要达到300Wh/kg以上,针刺就会爆炸。”有电池研发人员告诉36氪。

 

看到了半固态电池的性能,也有人坚守液态电池并不差。中创新航CTO潘芳芳就认为,液态电池的能量密度天花板可能达到500Wh/kg。“固态能达到的能量密度,液态电池都可以更加容易的达到。”

 

因此,这也给了市场一种疑问,迟迟未能量产的全固态电池,并不一定是完美的。

 

“如果基于现有的材料体系,只是把液态换成固态,在能量密度上不会有任何改善。”有电池从业者告诉36氪。

 

为了更好的性能,固态电池的正极材料普遍使用高镍三元体系,而负极则分化为了硅负极和锂金属负极两种路线。

 

国内创业公司多采取硅负极路线推进固态电池量产,而美国电池公司SES AI Corporation(以下称SES)等则使用了锂金属负极量产半固态电池,或者说液态电池。

 

理论上来说,固态电池所宣称的指标,都要依靠锂金属作为电池负极才能做到,但使用锂金属电池的难度要远高于硅负极,目前没有任何一家公司正在推进锂金属全固态电池的量产。

 

“硅负极突破到400Wh/kg以上很难,而锂金属负极轻松就可以做到。”SES创始人胡启朝说,“我们的电解液确实掺了一些氧化物,但我们还属于液态电池。”

 

液态的锂金属电池,与大众想象的固态电池,只有电解液的差异,能量密度、循环寿命、倍率性能都是理想中的样子。

 

而使用硅负极,受限于材料本身,即便量产了全固态电池,能量密度也不可能达到500Wh/kg。有电池研发人员分析道,“宁德时代2015年就开始做锂金属,这是一条很重要的技术路线。”

 

不过,锂金属液态电池似乎比硅负极的固态电池进展更快,SES已经进入B样阶段,胡启朝说,“我们计划25年6月份进入C样,也就是小试装车。”

 

因此,如果只是追求性能的极限,最关键的不只是固态电解质,而是更高能量的正负极。在如今各种技术路线百家争鸣之下,究竟哪种电池会率先到来,会更贴合当时的实际需求,还需要时间去验证。

 

固态电池的“可望难可即”

 

在液态电池产业化发展上,中国已经取得了绝对优势,中国的动力电池产量接近全球的70%,全球前十家动力电池生产商有六家来自中国。但固态电池技术上,中国公司已经落后。

 

丰田关于固态电池的专利超过1300项。而截止2023年10月,中国单个公司有关固态电池的专利,最高也没到100项。

 

我们不能忽视固态电池的前期突破。在中国全固态电池产学研协同创新平台成立仪式上,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高指出,固态电池替代液态电池1%就是预警。大概2016年,新能源汽车市场占有率达到1%,全球就开始向电动汽车转向,对于汽车技术而言,替代1%就已经具有突破性意义。

 

电池技术的发展大概以三十年为一个周期。最早从1870年的铅酸电池、1900年的铬镍电池、1930年的碱性锌锰电池,以及1960年的镍氢电池,再到1990年锂离子电池,都是如此。

 

2020年以来,电池技术已经进入了一个新的换代周期,我们必须要承认,固态电池确实在加速到来,我们已经可以遥望。

 

一方面,但随着科学技术的发展,许多既有的学科领域已经被彻底改变,材料科学的研发范式正在被AI所冲击。

 

以前,电池配方的研发需要将已知的元素用不同的方式进行排列组合,只能通过大水漫灌的方式,用规模性实验来找到一种成功的方法。

 

日本丰田在过去30多年已尝试了数万种电解质应用到电池中,这才造就了固态电池专利第一的存在。

 

而当下,“使用无人实验室全套机器人,再加上AI,短时间内发现了220万个可能的稳定结构,和40多万个材料合成。”欧阳明高说。

 

“24小时的黑灯实验室与大算力平台的加持会大大加速动力电池的开发过程。这会对2030左右实现全固态电池产业化突破增加了确定性。”

 

另一方面,电池上车最需要克服的数据问题,也正被深度学习的手段解决。

 

胡启朝告诉36氪,一款基于全新材料体系的电芯,最难的问题其实是各种场景下,电芯运营中的安全控制问题。

 

而深度学习软件的出现,可以通过做少数实验来推理出电芯在各种场景下的运营数据。这就像特斯拉使用道路数据来训练自动驾驶算法一样,改变原本的不可能。

 

胡启朝也直言:“假设今天没有相应的软件,我们的锂金属电池离上车、上飞行器还是有很大距离。”

 

在人工智能的加持下,固态电池正加速进入到商业化进程,在汽车上率先应用的场景可能在混动动力车型。武汉大学教授艾新平认为,固态电池突破1%替代率的机会就在混动车上。

 

混动汽车需要高功率电池,温度较高,丰田在HEV上坚持镍氢电池,就是为了避免锂离子电池高温功率衰减的问题,而且混动车带电量小,可以承担成本压力。

 

不过,就当下时点来看,固态电池的量产进度并不明确,除了QuantumScape宣布其A样产品通过大众子公司的耐久性测试以外,几乎没有公司再公布固态电池的具体进展。

 

因此也要看到的是,真正的量产宣传不应该空谈目标,不谈实际进展。固态电池的研发进程虽然在加快,但离真正的大规模商用还是很远。

 

迟峰(化名)在固态电池领域浸淫多年,他对36氪说,90年代固态电池就已经做出来了,各方面性能都碾压液态电池,但到现在三十年都没量产。“这还不能说明难度吗?”

 

举个例子,保证电解质和正负极之间的良好接触对电池性能至关重要,这保证了锂离子的传播效率,“接触不良”会导致电阻增加、能量损失或者电池寿命缩短。

 

传统的液态电池中,电解液与正负极之间的接触可以看做是液态的水和固态的纸张接触,电解液的“浸润性”会让两种材料无缝贴合。而固态电池是固态电解质,这个时候就变成了两张固态的纸需要无缝贴合在一起。

 

要知道,在电池充放电的过程中,正负极会随着循环而膨胀和收缩,因此,固态电解质这张白纸,需要时刻无缝贴合一张会伸缩的纸(正负极),难度倍增。

 

迟峰对此很感慨,固态电池的规模商用,可能十年内都很难看到,像这样的界面问题,“解决不了就是解决不了。”

 

“我们在实验室做的都是小电芯,5Ah电芯能达成的性能,放大到50Ah、150Ah,很多时候连做不都做不出来,更别说去解决问题了。”

 

当然,技术进步并未停滞,就像前文所说的人工智能在电池领域的应用,时间越往后推移,就会有越多的材料和技术用在固态电池研发上。

 

把时间拉回到十年前,我们或许也不会相信液态电池的价格能如此便宜,能量密度可以提升到支撑一辆车跑700公里。

 

任何一种新技术的出现与规模化应用,都在解决原本“不可能”的问题,固态电池同样如此。新的机会已经出现,各个公司也都厉兵秣马,准备上阵厮杀。

 

即便固态电池量产有距离,但没有一家公司不想成为下一个宁德时代。

 

 

(蜂耘电子电工网  责任编辑:辛渺)

2024-02-05 10:18

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来源:36氪
液态电池在过去十年几乎创下了电化学的奇迹:能量密度提升3倍,成本下降80%以上。电动汽车受益于液态电池技术的发展,也在全世界铺开蔓延,大有对燃油车的替代之势。

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