三元锂电池被固态电池取代的节奏正在变快.
近日, 中国科学院宁波材料技术与工程研究所宣布, 由其牵头承担的纳米先导专项 '全固态电池' 课题已通过验收, 这一技术进步将进一步推动国内全固态锂电池的规模应用.
此消息一出, 立即在电池行业中引起巨大反响.
业内人士告诉第一电动网: '以目前的三元锂电池的技术路线, 动力电池能量密度单体要做到350Wh/kg的目标, 在五年内基本不可能实现. 而且, 即便实现了, 安全性也无法得到保障. 因此, 固态电池商业化能否突破, 对汽车电动化的前景影响重大. '
作为电动汽车的核心, 电池领域的突破无疑将对电池乃至汽车领域的发展产生重大影响, 那么, 固态电池能否马上取代三元锂电池? 距离市场化还有多远?
三元锂电池的天然缺陷: 能量密度和稳定性相互矛盾
'某一家企业单去年一年就有60起电动汽车燃烧爆炸事故. ' 在刚刚举办的中日韩锂电论坛上, 北京大学新能源材料与技术实验室主任其鲁教授透漏.
其教授认为, 三元锂电池存在很多缺陷, 安全问题十分令人担忧. '无论从化学结构来讲, 还是从电池结构来讲, 三元材料都非常容易发热. 如果不能把热量及时传导出去, 电池就有爆炸的风险. 然而现阶段, 在电池的安全性, 可靠性上, 还没有完善的解决办法. '
除安全问题外, 就增加电动汽车续航角度而言, 三元锂电池的单体能量密度也已接近极限, 难以被突破. 电池包供应商正力蔚来常务副总裁周楠告诉第一电动: '现在, 无论是行业政策, 还是市场需求, 新能源汽车对动力电池能量密度的要求都很高. 在现有技术路线的体系下, 要提高能量密度, 只能提高镍材料或者添加CA, 但高镍的热稳定性很差. 所以, 传统的电池一旦能量密度提高, 也意味着稳定性的下降, 电池内部热反应会非常剧烈, 安全就成了很大的问题. '
正因为这样的原因, 国家 '863' 计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组专家肖成伟曾公开表示, 三元锂离子动力电池目前已经看到能量密度的 '天花板' 了, 高镍材料, 碳硅负极的锂电池单体能量密度最高应该在300Wh/kg左右, 正负不超过20Wh/kg.
按照国家动力电池技术路线图的规划, 2020年锂离子电池的单体能量密度目标为350Wh/kg. 从目前来看, 这一目标已然不能实现.
而为了保证动力电池的高能量密度和安全性, 固态电池研发的进展, 给这个行业带来了光和亮.
国内外企业争相布局, 固态电池成趋势
固态电池, 顾名思义是一种使用固体电极和固体电解质的电池. 由于固态电池电极和电解质都由固态物质制成, 其固态电解质不可燃, 无腐蚀, 不挥发, 不漏液, 同时也克服了锂枝晶现象, 即使被加热到非常高的温度, 也不会着火, 因而安全性更高. 搭载全固态锂电池的汽车, 自燃概率会大大降低. 可以说, 是下一代新能源汽车动力电池的理想对象.
目前, 越来越多的国内外企业和研究机构将重心集中到了全固态锂电池上, 也有不少汽车厂商都透露过基于固态电池打造电动汽车的计划. 比如, 大众曾宣布计划研发续航1000km固态电池; 丰田汽车预计2022年完成固态电池的研发工作, 并计划于2030年实现量产; 日本经济省更是在2017年宣布出资16亿日元, 联合丰田, 本田, 日产, 松下, GS汤浅, 东丽, 旭化成, 三井化学, 三菱化学等国内顶级产业链力量, 共同研发固态电池, 希望2030年实现800公里续航目标.
国家新能源汽车重点科技专项首席专家欧阳明高院士也曾指出, 国内不少科研院所, 企业布局固态电池领域, 中科院宁波材料所跟赣锋锂业合作, 正在推进其产业化, 计划2019年量产固态电池.
作为新能源汽车的 '心脏' , 动力电池无疑会决定新能源汽车的未来. 业内人士普遍认为, 动力电池未来发展路径是电解质从液态, 半固态, 固液混合到固态, 最终必将实现全固态的过程. 这促使初创公司, 大学和特斯拉等知名巨头对电池技术的新一轮投资和研究.
丰田的时间表相对靠谱, 固态电池量产可能要等到2030年
然而, 固态电池想要进一步发展, 尚需解决多重难题.
周楠告诉第一电动: '固态电解质是固态电池发展的关键, 固态电池没有液体的浸润, 同时也不需要隔膜, 只用把固态电解质当成隔膜, 放在正极极片和负极极片当中, 那么金属物质的材料就变得尤为关键. '
电解质材料是全固态锂电池技术的核心, 目前固态电解质的研究主要集中在三大类材料: 聚合物, 氧化物和硫化物. 聚合物高温性能好, 已经有商业化的应用案例; 氧化物循环性能良好, 适用于薄膜柔性结构; 硫化物电导率最高, 是未来主要方向.
不过, 目前还有几个具体难题需要克服:
一是界面的导电率, 固态电池导电率要维持在在适当的水平, 不能过高, 也不能过低, 这样的材料非常难开发.
二是没有找到即兼顾高倍率又能快充的复合性材料, 现在用的固态电解质材料只能容纳其中某一方面特性.
一位不愿具名的业内人士也表达了相同的看法. 他认为: '固态电解质具有高的电阻, 在功率密度方面还存在一些待解决的问题, 需要从固态电解质, 正负极材料上着手. 电导率, 电池倍率, 电池制备效率, 成本控制方面都存在不小的挑战, 一旦这些问题能够有效解决, 必将在未来掀起一场新的电池革命. '
既然困难重重, 固态电池在新能源汽车上的全面应用, 还有多长的路要走?
欧阳明高曾表示, 预计全固态锂电池会在2025-2030年之间取得突破. 今年5月, 丰田动力总成部门的总经理Shinzuo Abe透露: '丰田期望在2020年以后能制造出固态电池, 但若要实现固态电池的量产, 还需要等到2030年以后. '
已在电池行业深耕十几年的周楠向第一电动坦言: '从跟以往的经验来看, 丰田计划和实际情况基本上是能达到一致的. 也许在最近这几年里, 他们就能够推出固态电池, 但具体产能是怎么样, 成本能不能适应市场, 还要打一个大大的问号. '
