三元鋰電池被固態電池取代的節奏正在變快.
近日, 中國科學院寧波材料技術與工程研究所宣布, 由其牽頭承擔的納米先導專項 '全固態電池' 課題已通過驗收, 這一技術進步將進一步推動國內全固態鋰電池的規模應用.
此消息一出, 立即在電池行業中引起巨大反響.
業內人士告訴第一電動網: '以目前的三元鋰電池的技術路線, 動力電池能量密度單體要做到350Wh/kg的目標, 在五年內基本不可能實現. 而且, 即便實現了, 安全性也無法得到保障. 因此, 固態電池商業化能否突破, 對汽車電動化的前景影響重大. '
作為電動汽車的核心, 電池領域的突破無疑將對電池乃至汽車領域的發展產生重大影響, 那麼, 固態電池能否馬上取代三元鋰電池? 距離市場化還有多遠?
三元鋰電池的天然缺陷: 能量密度和穩定性相互矛盾
'某一家企業單去年一年就有60起電動汽車燃燒爆炸事故. ' 在剛剛舉辦的中日韓鋰電論壇上, 北京大學新能源材料與技術實驗室主任其魯教授透漏.
其教授認為, 三元鋰電池存在很多缺陷, 安全問題十分令人擔憂. '無論從化學結構來講, 還是從電池結構來講, 三元材料都非常容易發熱. 如果不能把熱量及時傳導出去, 電池就有爆炸的風險. 然而現階段, 在電池的安全性, 可靠性上, 還沒有完善的解決辦法. '
除安全問題外, 就增加電動汽車續航角度而言, 三元鋰電池的單體能量密度也已接近極限, 難以被突破. 電池包供應商正力蔚來常務副總裁周楠告訴第一電動: '現在, 無論是行業政策, 還是市場需求, 新能源汽車對動力電池能量密度的要求都很高. 在現有技術路線的體系下, 要提高能量密度, 只能提高鎳材料或者添加CA, 但高鎳的熱穩定性很差. 所以, 傳統的電池一旦能量密度提高, 也意味著穩定性的下降, 電池內部熱反應會非常劇烈, 安全就成了很大的問題. '
正因為這樣的原因, 國家 '863' 計劃節能與新能源汽車重大項目總體專家組專家肖成偉曾公開表示, 三元鋰離子動力電池目前已經看到能量密度的 '天花板' 了, 高鎳材料, 碳矽負極的鋰電池單體能量密度最高應該在300Wh/kg左右, 正負不超過20Wh/kg.
按照國家動力電池技術路線圖的規劃, 2020年鋰離子電池的單體能量密度目標為350Wh/kg. 從目前來看, 這一目標已然不能實現.
而為了保證動力電池的高能量密度和安全性, 固態電池研發的進展, 給這個行業帶來了光和亮.
國內外企業爭相布局, 固態電池成趨勢
固態電池, 顧名思義是一種使用固體電極和固體電解質的電池. 由於固態電池電極和電解質都由固態物質製成, 其固態電解質不可燃, 無腐蝕, 不揮發, 不漏液, 同時也克服了鋰枝晶現象, 即使被加熱到非常高的溫度, 也不會著火, 因而安全性更高. 搭載全固態鋰電池的汽車, 自燃機率會大大降低. 可以說, 是下一代新能源汽車動力電池的理想對象.
目前, 越來越多的國內外企業和研究機構將重心集中到了全固態鋰電池上, 也有不少汽車廠商都透露過基於固態電池打造電動汽車的計劃. 比如, 大眾曾宣布計劃研發續航1000km固態電池; 豐田汽車預計2022年完成固態電池的研發工作, 並計劃於2030年實現量產; 日本經濟省更是在2017年宣布出資16億日元, 聯合豐田, 本田, 日產, 松下, GS湯淺, 東麗, 旭化成, 三井化學, 三菱化學等國內頂級產業鏈力量, 共同研發固態電池, 希望2030年實現800公裡續航目標.
國家新能源汽車重點科技專項首席專家歐陽明高院士也曾指出, 國內不少科研院所, 企業布局固態電池領域, 中科院寧波材料所跟贛鋒鋰業合作, 正在推進其產業化, 計劃2019年量產固態電池.
作為新能源汽車的 '心臟' , 動力電池無疑會決定新能源汽車的未來. 業內人士普遍認為, 動力電池未來發展路徑是電解質從液態, 半固態, 固液混合到固態, 最終必將實現全固態的過程. 這促使初創公司, 大學和特斯拉等知名巨頭對電池技術的新一輪投資和研究.
豐田的時間表相對靠譜, 固態電池量產可能要等到2030年
然而, 固態電池想要進一步發展, 尚需解決多重難題.
周楠告訴第一電動: '固態電解質是固態電池發展的關鍵, 固態電池沒有液體的浸潤, 同時也不需要隔膜, 只用把固態電解質當成隔膜, 放在正極極片和負極極片當中, 那麼金屬物質的材料就變得尤為關鍵. '
電解質材料是全固態鋰電池技術的核心, 目前固態電解質的研究主要集中在三大類材料: 聚合物, 氧化物和硫化物. 聚合物高溫性能好, 已經有商業化的應用案例; 氧化物迴圈性能良好, 適用於薄膜柔性結構; 硫化物電導率最高, 是未來主要方向.
不過, 目前還有幾個具體難題需要克服:
一是界面的導電率, 固態電池導電率要維持在在適當的水平, 不能過高, 也不能過低, 這樣的材料非常難開發.
二是沒有找到即兼顧高倍率又能快充的複合性材料, 現在用的固態電解質材料只能容納其中某一方面特性.
一位不願具名的業內人士也表達了相同的看法. 他認為: '固態電解質具有高的電阻, 在功率密度方面還存在一些待解決的問題, 需要從固態電解質, 正負極材料上著手. 電導率, 電池倍率, 電池製備效率, 成本控制方面都存在不小的挑戰, 一旦這些問題能夠有效解決, 必將在未來掀起一場新的電池革命. '
既然困難重重, 固態電池在新能源汽車上的全面應用, 還有多長的路要走?
歐陽明高曾表示, 預計全固態鋰電池會在2025-2030年之間取得突破. 今年5月, 豐田動力總成部門的總經理Shinzuo Abe透露: '豐田期望在2020年以後能製造出固態電池, 但若要實現固態電池的量產, 還需要等到2030年以後. '
已在電池行業深耕十幾年的周楠向第一電動坦言: '從跟以往的經驗來看, 豐田計劃和實際情況基本上是能達到一致的. 也許在最近這幾年裡, 他們就能夠推出固態電池, 但具體產能是怎麼樣, 成本能不能適應市場, 還要打一個大大的問號. '
