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固态电池有望解决安全隐患和能量密度偏低问题,仍有多项难题待突破

2020-07-09 15:15 次阅读

今年以来,国内外企业在固态电池领域投资布局动作频频。近日,大众集团宣布已向斯坦福大学研发固态电池的衍生企业Quantum Scape追加投资2亿美元,旨在加速推动固态电池技术的研发和商业化量产。此前不久,造车新势力——合众公司与清陶能源达成全面深度合作,共同推进固态电池的研发与应用。

但业内认为,固态电池还存在诸多待解难题,产业化进程任重道远。

下一个竞争高地

继2018年投资1亿美元后,大众集团再次发力。增资对象Quantum Scape成立于2010年,是斯坦福大学的衍生公司,其试制的全固态电池安装在车辆驱动系统上已完成了操作测试实验。大众集团预测,如果使用全固态电池,该公司的EV车型“e-golf”的续航里程可以从现有的300公里提升至750公里。

固态电池有望解决安全隐患和能量密度偏低问题,仍有多项难题待突破

固态电池技术是企业的下一个竞争高地。全球多家车企、动力电池企业和科研院校都在致力于固态电池的科研攻关。宝马集团早在2017年就牵手Soild Power开发固态电池;丰田是较早布局固态电池的车企,并有望在2022年推出搭载固态电池的车型;今年年初,戴姆勒宣布与加拿大魁北克水电公司合作开发固态电池技术,一旦固态电池达到了可量产状态,将使用在戴姆勒电动汽车上。

中国科学院院士欧阳明高曾公开表示,日本自2017年起,投入了大量的研发经费,举全国之力研发下一代固态电池。美国和欧洲也在全力开发。中国电池产业虽然在此领域取得暂时优势,但国际竞争压力巨大,需全力追赶固态电池等前沿技术。

国内方面,目前清陶能源、宁德时代、北京卫蓝等企业走在了研发前列。造车新势力——天际汽车在2019年初就推出了首款搭载固态电池的ME7样车,并宣称在2021年实现量产;日前,合众公司与清陶能源达成全面深度合作,共同推进固态电池的研发与应用。

合众公司首席研发官王可峰透露,合众旗下第二款量产车——哪吒U将由此成为全球首款搭载固态电池的量产车。目前,双方已经进行了近两年的联合研发和测试,计划10月份申报工信部公告,年底前量产500台。

随时准备颠覆现有产品体系

企业之所以纷纷布局固态电池,看中的正是它有望解决困扰动力电池行业的两大挑战——安全隐患和能量密度偏低问题。

所谓的固态电池,顾名思义就是使用固体电解质的锂电池。在工作原理上,全固态电池与传统的锂离子电池并无区别。

传统锂电池由正极、负极、隔膜和电解液组成,其中电解液中含有易燃的有机溶剂,发生内部短路时温度骤升容易引起燃烧,甚至爆炸。而固体电解质材料具有不可燃、无腐蚀、不挥发的特性,不存在漏液问题,用固态电解质替代电解液,具有高安全性。此外,全固态电池使用金属锂做负极,电池能量密度有望达到300—400Wh/kg,甚至更高。业内普遍认为,全固态电池有望成为下一代动力电池的技术路线。

最近两年,动力电池技术路线日益多元化。宁德时代推出了CTP技术、比亚迪发布了刀片电池、蜂巢能源也推出了首款无钴电池。相关技术储备是否会有所冲突?“刀片电池、CTP技术只是在结构上做了一些优化,跟固态电池的发展并不矛盾。”中国化学与物理电源行业协会秘书长刘彦龙告诉记者。

事实上,固态电池的研发已经上升到国家战略层面。2019年12月,工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿),对提高技术创新能力提出了要求,其中便包括了“加快全固态动力电池技术研发及产业化”。

华经产业研究院认为,固态电池等新的技术革命随时准备颠覆现有的整个产品体系框架。随着研发和工业技术的不断发展,未来几年,固态电池产品的市场会迎来蓬勃的发展机遇。

多项技术难题待突破

“现在所说的固态电池,是为了解决电动汽车的安全问题,增加了一部分固态电解质。多数是对现有锂离子电池技术的改进,属于半固态电池。”刘彦龙告诉记者,全固态锂电池,是一种使用固体电极材料和固体电解质材料,不含有任何液体的锂电池。“固态电池”和“全固态电池”一字之差,却还有较长的路要走。

刘彦龙介绍,目前全固态电池在电解质导电性、金属锂的可塑性、界面相容性等方面还存在技术难题。比如,在与电极的接触上,液态电解质可以最大限度地与之接触,而固态电解质与电极之间很难做到完全贴合,电导率低于液态电解质;在频繁充放电过程中,各种材料体积会膨胀和收缩,如何保证电极结构的稳定也还需要进一步研究。

考虑到全固态电池面临的现实难题,以及行业对高安全、高能量密度动力电池的迫切期待,半固态电池成为当下的一个务实选择。电池结构设计正逐渐由减少液体的使用,向无液体的全固态电池迈进。

刘彦龙坦言,理论上认为全固态电池是动力电池发展的一个方向,但目前还没有做出一款全固态电池去检验其全生命周期的竞争力。“全固态锂电池是否真的能解决锂离子的本质安全性还有待更广泛、更深入的研究和数据积累。”在他看来,只有安全性、能量密度、循环寿命、成本都接近甚至优于现有的锂离子电池时,全固态电池才具备产业化的基础。

在刘彦龙看来,全固态电池短时间内很难产业化,起码要等到2030年左右。“全固态电池得先做出来,先应用于小电流的电子产品上,再逐步应用到大电流、大倍率的电动汽车上。”

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