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固态电池,2025见?

作者:东东笑话网2021-02-22 09:46类型:互联网动态 已有192人围观 点击提交给百度收录

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     在中国,包括动力电池巨无霸宁德时代、锂资源巨头赣锋锂业,以及从消费电子领域拓展而来的辉能科技等企业,均在大力投入固态电池研发。

来源 | 建约车评 

“锂离子电池为第一代电动汽车提供了动力,扮演了重要的铺路石角色。而我们相信,QuantumScape的锂金属固态电池,将会为汽车产业打开新一代电池技术的大门,为交通行业的全面电动化铺平道路。”

2020年12月8日,美国固态电池初创公司QuantumScape(QS)创始人兼CEO贾格迪普辛格(Jagdeep Singh)向外界发出如上宣言。

这个得到大众汽车重注支持的固态电池企业,之所以选择在这一时刻高调发声,是因为在不久之前的11月底,QS以33亿美元估值在纽交所正式上市,成为“固态电池全球第一股”。

辛格的发言,出现在QS首次公布其电池测试结果的网络发布会上。

根据辛格的介绍,QS开发的锂金属固态电池,成功解决了电动汽车动力电池的5大痛点:成本、续航、充电时间、循环寿命和安全性。

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在QS展示的测试结果中,一些核心信息包括:

充电至80%仅需15分钟以下

800次充放电循环后,电池容量衰减低于20%

续航里程比锂离子电池驱动的电动汽车提升80%以上

消息发布当日,QS股价大涨31.08%;此后半个月,这家营收为零、且未来4-5年内都将不会有营收的公司,股价却一路飙升,市值一度接近480亿美元,超过福特、菲亚特克莱斯勒等汽车制造商。

QS之所以备受业界关注,源自于电动汽车行业对下一代电池技术的翘首期盼。

当前的电动汽车,在安全性、续航里程、充电速度和成本方面无法令人满意,很大程度上源自于电池技术的不成熟。

在可见的范畴,固态电池是最有潜力解决以上问题,并一举颠覆电池业和汽车业的电池技术。

抓住“下一代电池技术”,就意味着抓住了在电动车时代存活下去的命脉。因此,对于固态电池这一“电池技术的圣杯”,世界上所有的车企都趋之若鹜。

而对第三方电池生产商而言,颠覆性的电池技术,将意味着颠覆性的产业环境,同样是关乎生死的命题。

01 固态电池的“执念”

固态电池被许多人看作锂电池技术发展的下一代方案,原因主要有以下几方面:

1. 能量密度高:采用锂金属作为电池负极,可显著提升电池能量密度。

在当前的三元锂电体系下,高镍正极与硅碳负极的组合,已经是能量密度的理论顶点。

以高电压层状过渡金属氧化物做正极、石墨做负极的锂离子电池,其质量能量密度理论极限约为300Wh/kg——当前以松下/特斯拉NCA为代表的高镍三元材料体系,电芯能量密度达260Wh/kg,正在接近这一极限。

若引入硅基合金代替纯石墨做负极,则能量密度理论上限约可提升至400Wh/kg。

要想进一步提高能量密度,须采用金属锂做负极。目前普遍使用的石墨负极材料的理论比容量仅为372mAh/g,而金属锂的理论比容量为3860mAh/g,锂金属电池能量密度的理论上限可达500Wh/kg以上。

要使用金属锂做负极,就必须将热稳定性差、易燃易漏、易在锂金属表面产生分解从而缩短电池寿命的液态电解质,替换为固态电解质。

去除电解液之后,锂电池的正负极和电解质均为固态,“固态电池”由此得名。

2. 安全性高:固态电解质具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发等特性,因此从材料的本征特性上根除了传统锂离子电池中电解液泄漏、电极短路等安全隐患。

由于电动汽车起火事故多是因动力电池正负极短路所致,锂电池苦电解液久矣。

3. 电化学窗口宽:充电时采用更高电压,意味着能够脱出更多的锂。

液态电解质在电压超过4.4V时会被氧化,为电池带来安全风险的同时,三元材料的正极表面也会发生不可逆的相变;而固态电解质能够支撑5V以上的电化学窗口,可适应更高电压型的电极材料。

此外,更高的电压还意味着可在单体电芯内部进行串联,从而将单体电芯做得更大。大电芯化、去模组化,是当前动力电池包设计的主流趋势,由于大量不参与化学反应的模组壳体和冗余材料被去除,电池包的成组效率进一步提升,从而提高能量密度、降低成本。

4. 成本下降空间大:理论上看,锂金属固态电池成组效率更高、采用的材料更少、结构更简单,生产工艺流程有望得到简化;相应地,电池包的保护系统、冷却系统、BMS等均可得到简化。

因此,固态电池实现量产后有望在材料和生产工艺两个方面,实现比传统锂离子电池更低的成本。

针对电动汽车在续航、安全性和成本等方面的短板,固态电池在理论上都具备绝对优势。正因为此,业界一直对固态电池寄予厚望,认为其终将替代当前以液态电解质为基础的锂离子电池。

然而,在享受丰硕果实之前,人们还需经历漫长的等待。

锂金属固态电池的设想出现于20世纪70年代,40多年过去,至今尚未有人开发出可供大批量生产的固态电池产品。

根据材料划分,固态电解质主要可分为聚合物、氧化物和硫化物三种体系。

难点在于,无论哪一种材料类别,均无法在解决低电导率、低能量密度、低稳定性、高昂成本、低电压和锂枝晶等问题之间找到平衡点。

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不同类型固态电解质材料对比(来源:中金公司

传统液态电解质的室温离子电导率约为10-2S/cm,与之相比,无论是聚合物、氧化物还是硫化物材料体系,均存在数量级上的差距。

此外,固态电解质与电极之间的”固-固”界面,接触紧密性较差,且会产生远高于传统“液-固”界面的阻抗,使得锂离子在界面之间的传输受阻。

低离子电导率和高界面阻抗导致的高内阻,使得锂离子在固态电池内部传输效率低,在高倍率大电流下的传输能力差,因此会影响电池的快充性能。

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