固態(tài)電池進(jìn)入“軍備競賽”階段，2030年或迎大規(guī)模量產(chǎn)
日期：2024-11-29 19:47:18 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：406近日，大眾汽車宣布已向斯坦福大學(xué)研發(fā)固態(tài)電池的衍生企業(yè)QuantumScape追加投資2億美元(約合14億元人民幣)，旨在加速推動固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化量產(chǎn)。
早在2012年，大眾汽車就與QuantumScape公司在固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)域達(dá)成合作，并在2018年向其投資1億美元成為其最大股東。隨后雙方又共同成立了一家專注于固態(tài)電池研究的合資公司，將于2020年年內(nèi)設(shè)立試點工廠。雙方共同的目標(biāo)是使得固態(tài)電池真正能夠應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，并預(yù)計在2025年建成一條為電動汽車生產(chǎn)固態(tài)電池的生產(chǎn)線。
圖片來源：QuantumScape官網(wǎng)
固態(tài)電池引來各大企業(yè)爭相布局
據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球范圍內(nèi)致力于固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的車企與動力電池企業(yè)有20多家，其中不少企業(yè)都宣布要量產(chǎn)固態(tài)電池，并制定了相應(yīng)的發(fā)展路線計劃。
國際上，除了大眾汽車，寶馬、豐田、本田、日產(chǎn)、松下等車企及電池企業(yè)均在固態(tài)電池領(lǐng)域有所布局。其中，寶馬2017年就開始牽手Soild Power開發(fā)固態(tài)電池;豐田作為較早著手研發(fā)固態(tài)電池的車企之一，側(cè)重硫化物固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)路線，有望在2022年推出搭載固態(tài)電池的車型;今年年初，豐田宣布與松下成立合資企業(yè)生產(chǎn)固態(tài)電池;同在今年年初，戴姆勒宣布與加拿大魁北克水電公司合作開發(fā)固態(tài)電池技術(shù)，一旦達(dá)到量產(chǎn)狀態(tài)，將在戴姆勒旗下的電動汽車上使用。
與國際主流車企扎堆布局固態(tài)電池不同，國內(nèi)布局固態(tài)電池的主力軍是動力電池企業(yè)，傳統(tǒng)車企僅有北汽集團(tuán)與比亞迪兩家布局，新造車企業(yè)的布局者相對更多。
在國內(nèi)動力電池企業(yè)中，清陶能源、寧德時代、贛鋒鋰業(yè)、輝能、北京衛(wèi)藍(lán)、卡耐新能源等走在固態(tài)電池研發(fā)前列。據(jù)了解，清陶能源目前已開發(fā)出全固態(tài)電池，單體能量密度可達(dá)到430Wh/kg，量產(chǎn)階段可達(dá)到300Wh/g以上;寧德時代在聚合物固態(tài)鋰金屬電池和硫化物基固態(tài)電池方向都有研究;贛鋒鋰業(yè)年產(chǎn)億瓦時級第一代固態(tài)鋰電池研發(fā)中試生產(chǎn)線已建成試產(chǎn);衛(wèi)藍(lán)新能源2019年在江蘇舉行了固態(tài)電池項目奠基，計劃于2020年建成年產(chǎn)0.1GWh固態(tài)電池生產(chǎn)線;輝能科技稱2023 年將開始全固態(tài)電池試產(chǎn)，2024年全固態(tài)電池量產(chǎn)。
傳統(tǒng)車企方面，北汽集團(tuán)旗下北汽產(chǎn)投于2019年8月完成了對清陶能源的投資，雙方將在固態(tài)鋰電池的產(chǎn)業(yè)化方面合作，但并未公布具體的量產(chǎn)落地時間。比亞迪表示，目前正在積極推進(jìn)固態(tài)電池項目商用。
新造車企業(yè)中，蔚來汽車、天際汽車、愛馳汽車已分別與輝能科技達(dá)成合作，共同研發(fā)固態(tài)電池。其中天際汽車在2019年初就推出了首款搭載固態(tài)電池的ME7樣車，不過目前并無最新進(jìn)展。近日，哪吒汽車宣布與清陶能源達(dá)成全面深度合作，共同推進(jìn)固態(tài)電池的研發(fā)與應(yīng)用。
固態(tài)電池更安全、能量密度更高
進(jìn)入2020年，CTP電池、刀片電池、石墨烯電池和無鈷電池等新技術(shù)電池相繼推出。動力電池技術(shù)領(lǐng)域雖迎來一系列突破，但是綜合考慮電池的安全性和續(xù)航里程，固態(tài)電池被認(rèn)為是未來十年內(nèi)最適合電動汽車的動力電池。
中國科學(xué)院院士歐陽明高曾公開表示，基于各國動力電池技術(shù)路線的比較，短期來看是液態(tài)電解液的鋰離子電池，發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負(fù)極，中長期將從液態(tài)電解質(zhì)逐步過渡到全固態(tài)電池。
“與目前主流的三元鋰離子電池相比，固態(tài)電池可以提升電動汽車的安全性，更高的能量密度能夠使電動汽車擁有更長的續(xù)航里程，并且能夠有效縮短電動汽車的充電時間。”蓋世汽車研究院資深分析師表示。
首先，從電池結(jié)構(gòu)本身來講，使用固體電解質(zhì)的固態(tài)電池具有不可燃、不腐蝕、不揮發(fā)、不漏液等優(yōu)勢，可極大確保電池的安全性。由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成的鋰離子電池，其電解液易滲出，當(dāng)遇到正負(fù)極短路或者過充時溫度會快速升高，易引發(fā)電池燃燒、爆炸。且隨著能量密度提高，三元鋰電池鎳含量不斷提升，用于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的鈷和錳含量相應(yīng)降低，安全問題將愈發(fā)凸顯。
其次，用金屬鋰做負(fù)極的固態(tài)電池可匹配高電壓正極材料，進(jìn)一步提升能量密度。而現(xiàn)階段三元鋰電池電芯能量密度普遍在240-260Wh/Kg之間，高鎳三元鋰電池雖然可以達(dá)到300Wh/Kg，但都已接近極限，難以繼續(xù)提升。
此外，固態(tài)電池的封裝相對簡單，能省掉電池包外殼、冷卻等系統(tǒng)，同時可實現(xiàn)電池柔性化、異形化，根據(jù)不同應(yīng)用場景設(shè)計不同形狀，靈活性更強。
固態(tài)電池量產(chǎn)尚存難點
需要指出的是，當(dāng)下國際主流車企、國內(nèi)動力電池企業(yè)以及造車新勢力，雖然都在固態(tài)電池領(lǐng)域進(jìn)行了前瞻布局，但是固態(tài)電池技術(shù)距離量產(chǎn)還需要解決諸多難點。
上述分析師坦言，固態(tài)電解質(zhì)在安全性與部分電化學(xué)性能上雖優(yōu)于液態(tài)電解質(zhì)，但由于其固體的形態(tài)，也存在著先天的缺陷。譬如，固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子遷移效率直接影響了固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。據(jù)了解，目前絕大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率低于液態(tài)電解質(zhì)，影響了固態(tài)電池的實用性能。
其次，在與電極的接觸上，液態(tài)電解質(zhì)可以最大限度地與電極保持接觸，而固態(tài)電解質(zhì)與電極之間很難做到完美貼合，如此一來，電極與電解質(zhì)之間的界面阻抗就會上升，同樣影響固態(tài)電池的實用性能。
再次，如何在規(guī)模和成本之間找到平衡點，也是其量產(chǎn)路程中不得不考慮的重要問題。
北京衛(wèi)藍(lán)新能源科技有限公司資深工程師李久銘公開表示，“目前固態(tài)電池材料體系、電芯、模組、智能制造技術(shù)尚未確定，產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成。”在他看來，只有安全性、能量密度、循環(huán)壽命、日歷壽命顯著提高，成本及功率特性接近甚至優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池，全固態(tài)電池技術(shù)才有競爭力。
考慮到固態(tài)電池量產(chǎn)面臨的現(xiàn)實困難，以及新能源汽車對高安全、高能量密度動力電池的迫切需求，作為折中方案，混合固液電解質(zhì)鋰電池將作為固態(tài)電池發(fā)展的過渡方案。歐陽明高亦認(rèn)為，當(dāng)前有突破的、有產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢的是固態(tài)鋰離子電池，既電解質(zhì)中有固態(tài)也有液態(tài)。有測試數(shù)據(jù)顯示，相比于三元鋰離子電池，目前的混合固液產(chǎn)品能量密度有所提升，安全性可大幅提高，是全固態(tài)電池技術(shù)尚未突破情況下的務(wù)實選擇。
根據(jù)蓋世汽車研究院《新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)報告(2020版)》預(yù)測分析，2020年前后電池材料將主要向鎳三元+硅碳演變，到2025年富鋰錳基正極材料取得突破，到2030年電解質(zhì)方面取得突破后，有望實現(xiàn)全固態(tài)電池。國內(nèi)鋰電巨頭寧德時代亦認(rèn)為，全固態(tài)電池至少要到2030年才能進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。
雖然固態(tài)電池量產(chǎn)尚需時日，但是不難看出，沒能在這一輪動力電池掌握住主動權(quán)的企業(yè)，都早早地將目光鎖定在下一代動力電池的賽道上，固態(tài)電池則早已進(jìn)入“軍備競賽”階段。可以說，下一個十年，誰搶下了固態(tài)電池，誰就搶下了在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先機。