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动力电池之争:锂离子还是固态?

E4Life 2020-07-08 09:50 次阅读
随着电动汽车的普及率逐级提升,欧洲国家的全面禁燃,车载动力电池的话题再度被摆在台前。无论是从电池自燃的安全角度,还是从能量使用的效率角度来看,在汽车电池上做出革新是整个行业都翘首以待的。

目前汽车电池追求的都是“百万英里”,今年5月,通用汽车公司的高管表示,该公司“几乎”没有在上万英里的电池上有所发展;而今年6月,宁德科技宣布已经准备好量产124万英里的电池了。而近期,也有传言称特斯拉会推出百万英里级别的电池。

另一个概念就是无钴电池,因为电动汽车行业的快速增长可能会导致关键电池金属材料的短缺,钴就是其中之一。再者,钴的价格昂贵,开采地区往往政治经济不稳定。因此欧盟和中国也在制定相关政策,要求生产商对这类材料的回收负责。

据机构数据统计,2016年全球的汽车电池市场总值在487.1亿美元左右,在2016到2023这一期间内,复合年增长率将高至8.5%。这也带动了锂电池正极材料的出货量高速增长,据GGII的统计数据显示,2019年中国锂电池正极材料出货量达40.4万吨,同比增长32.5%,过去5年都保持着25%以上的增速。

中国锂电池正极材料出货量(万吨) / 图表来源:高工产业研究院

固体电池入局
 
值此高速发展之际,固态电池进入了人们的视野。早在2018年9月,大众汽车就向斯坦福大学开发固态电池的子公司Quantum Scape投资了1亿美元,甚至还计划在今年建立一个工业规模生产固态电池的试验工厂,今年6月16日,大众再度向该公司注资2亿美元。
 
丰田在向电动汽车的过渡中比较滞后,为了加快这一进程,丰田也在去年宣布与松下结盟,为自家的电动汽车提供电池,同时一起合作开发下一代固态锂离子电池。19年的东京车展前夕,丰田宣布将在东京奥运会期间推出一款搭载固态电池的电动汽车,以展示全新的电池技术,并表示2025年左右可以实现固态电池汽车的量产。但随着东京奥运会的延期,这一技术的公布尚不知确切日期。除此之外,宝马在2017年起就宣布与Solid Power公司合作开发固态电池,计划在2026年实现量产。
 
固态电池 vs 锂离子电池
 
电池除了容量以外,还有一个很重要的参数——能量密度。索尼在1991年首度商用的锂离子电池的能量密度为190 Wh/L,是当时铅酸电池40Wh/L的四倍以上。
 
锂离子电池被人诟病的两大缺陷就是安全与续航。锂离子电池虽然近年间在电极材料的选择上不断推陈出新,但始终无法摆脱液态电解质带来的易燃性问题。如果要兼顾安全性的话,有很难在能量密度上找到最优解。
 
而固态电源可选用金属锂作为电极,能量密度可达液态锂电池的2倍以上。更高的能量密度意味着单位体积内可以存储更多的能量,从而为电池组的物理尺寸给到了更灵活的选项。
 
比亚迪
 
比亚迪在今年3月末正式推出了刀片电池,这也是锂电池的一种,但不同于三元锂电池,而是选用了磷酸铁锂电池。比亚迪指出,电动汽车行业过于追求能量密度,而忽视了安全问题,因此比亚迪退而选用了能量密度较三元锂电池低的磷酸铁锂刀片电池。

刀片电池 / 比亚迪
 
比亚迪以首款搭载刀片电池的车型汉EV提供了该电池的性能指标,其续航里程可达605公里,33分钟内可以将电量充至80%,在循环充放电3000个周期下可行驶120万公里。而安全性方面,在针刺试验(通过钢针刺穿电池试图触发电池短路)下,比亚迪的刀片电池的表面温度仍处于30℃到60℃。比亚迪称该电池具备超级强度、超级续航、超级低温、超级寿命和超级功率的超级性能。
 
特斯拉
 
特斯拉仍在采用自研的锂电池,不仅近期向LG化学增加了订单,据了解还会在今年的电池日上公布新的“百万英里”级电池。然而 特斯拉的Jeff Dahn团队在《自然能源》杂志上发表声明称固态电池虽然采用了金属铝作为电极,却仍未完全解决锂枝晶的生成问题。锂枝晶可谓是电池失火的祸根所在,这些形成的突起可以突破单个电池的绝缘层,造成短路和起火。
 
而后公布了他们开发出了全新的锂离子软包电池,其性能也将超越固态电池。这是一款无阳极的锂金属软包电池,其双盐LiDFOB/LiBF4液态电解质在90个充放电周期后仍保留80%的电池容量,也能进一步避免锂枝晶的生成。

LiDFOB和LiDFOB/LiBF4液态电解质在固定充放电周期后电池容量的对比

三星
 
三星也开始着手固态电池的研发,今年3月9日,三星先进技术研究院(SAIT)与三星日本研究院(SRJ)向《自然能源》展示了在高性能持久的全固态电池上的研究。全固态电池不仅支持更高的能量密度,并选用了更安全的固态电解质。
 
但三星也深知固态电池中使用锂金属作为阳极容易触发锂枝晶的生成,从而降低电池寿命和安全性。为了克服这一阻碍,三星的研究人员首次提出使用银碳(Ag-C)混合层作为阳极。研发团队发现,放入软包电池中的Ag-C层不仅支持更大的容量,更长的周期寿命,也进一步提升了整体安全度。5μm的Ag-C层不仅显著降低了阳极厚度,同样将能量密度提升至900Wh/L。这使得电池体积可以做到比传统锂离子电池小50%。据开发团队称,该电池同样做到了较高的库伦效率,在一次充电后,电动汽车的行驶里程将达到800公里,并支持1000次以上的充电寿命。

固定充放电周期后的电池容量与库伦效率
 
由上图可以看出,哪怕在1000个充电循环之后,电池容量依然保持在80%以上,而库伦效率的平均值在99.8%以上。
 
宁德时代
 
作为全球动力电池的龙头企业,宁德时代在19年占据了国内超50%的份额,全球超27%的份额。尽管宁德时代对固态电池的研发已经进行多年,但目前可知的情报依然很少。目前情报仅透露出宁德时代研发方向为聚合物和硫化物的固态电池,其电池单体容量为325mAh,能量密度为300Wh/kg,在300周充电循环以上,容量保持率为82%。
 
同时据报道称,宁德时代的一位电池开发负责人表示,CALT全固态电池虽然仍在开发中,也已制作出样品,但商品化可能要在2030年之后。
 
固态电池现有的阻力
 
显而易见,目前各大动力电池厂商在固态电池上的进展都尚在研发阶段。不仅是固态电解质,还有电极材料,这些都是研发团队仍在探究的问题。甚至是走固态还是全固态的方案,各家的取舍也不尽相同。
 
面对制作工艺和生产设备的大改,还有对安全性的考量,在确定方案后的进一步投产也需要一定时间。因此,固态电池还有好一段距离才能迎头赶上,锂离子电池在未来5年内仍将占据主导地位。尽管如此,诸多厂商的研发并未停歇,从燃料电池转为锂电池的过程中,落后的汽车OEM已经尝到了不少苦果,若是不能在下一次电池变革时赶上潮流,势必差距会被进一步拉大。

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