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固態電池進入“軍備競賽”階段 2030年或迎大規模量產

鉅大LARGE  |  點擊量:72次  |  2020年08月26日  

摘要
固態電池進入“軍備競賽”階段 2030年或迎大規模量產,近日,大眾汽車宣布已向斯坦福大學研發固態電池的衍生企業QuantumScape追加投資2億美元(約合14億元人民幣),旨在加速推動固態電池技術的研發和商業化量產。早在2012年,大眾汽車就與QuantumScape公司在固態電池技

近日,大眾汽車宣布已向斯坦福大學研發固態電池的衍生公司QuantumScape追加投資2億美元(約合14億元人民幣),旨在加速推動固態電池技術的研發和商業化量產。


早在2012年,大眾汽車就與QuantumScape公司在固態電池技術領域達成合作,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電池研究的合資公司,將于2020年年內設立試點廠。雙方共同的目標是使得固態電池真正能夠應用于汽車工業領域,并預計在2025年建成一條為電動汽車生產固態電池的生產線。


固態電池引來各大公司爭相布局


據不完全統計,目前全球范圍內致力于固態電池技術研發與應用的車企與動力鋰電池公司有20多家,其中不少公司都宣布要量產固態電池,并制定了相應的發展路線計劃。


國際上,除了大眾汽車,寶馬、豐田、本田、日產、松下等車企及電池公司均在固態電池領域有所布局。其中,寶馬2017年就開始牽手SoildPower開發固態電池;豐田作為較早著手研發固態電池的車企之一,側重硫化物固態電解質技術路線,有望在2022年推出搭載固態電池的車型;今年年初,豐田宣布與松下成立合資公司生產固態電池;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固態電池技術,一旦達到量產狀態,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電池不同,國內布局固態電池的主力軍是動力鋰電池公司,傳統車企僅有北汽集團與比亞迪兩家布局,新造車公司的布局者相對更多。


在國內動力鋰電池公司中,清陶能源、寧德時代、贛鋒鋰業、輝能、北京衛藍、卡耐新能源等走在固態電池研發前列。據了解,清陶能源目前已開發出全固態電池,單體能量密度可達到430Wh/kg,量產階段可達到300Wh/g以上;寧德時代在聚合物固態鋰金屬電池和硫化物基固態電池方向都有研究;贛鋒鋰業年產億瓦時級第一代固態鋰離子電池研發中試生產線已建成試產;衛藍新能源2019年在江蘇舉辦了固態電池項目奠基,計劃于2020年建成年產0.1GWh固態電池生產線;輝能科技稱2023年將開始全固態電池試產,2024年全固態電池量產。


傳統車企方面,北汽集團旗下北汽產投于2019年八月完成了對清陶能源的投資,雙方將在固態鋰離子電池的產業化方面合作,但并未公布具體的量產落地時間。比亞迪表示,目前正在積極推進固態電池項目商用。


新造車公司中,蔚來汽車、天際汽車、愛馳汽車已分別與輝能科技達成合作,共同研發固態電池。其中天際汽車在2019年初就推出了首款搭載固態電池的ME7樣車,不過目前并無最新進展。近日,哪吒汽車宣布與清陶能源達成全面深度合作,共同推進固態電池的研發與應用。


固態電池更安全、能量密度更高


進入2020年,CTP電池、刀片電池、石墨烯電池和無鈷電池等新技術電池相繼推出。動力鋰電池技術領域雖迎來一系列突破,但是綜合考慮電池的安全性和續航里程,固態電池被認為是未來十年內最適合電動汽車的動力鋰電池。


我國科學院院士歐陽明高曾公開表示,基于各國動力鋰電池技術路線的比較,短時間來看是液態電解液的鋰離子電池,發展高鎳三元正極和硅炭負極,中長期將從液態電解質逐步過渡到全固態電池。


“與目前主流的三元鋰離子電池相比,固態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航里程,并且能夠有效縮短電動汽車的充電時間?!鄙w世汽車研究院資深分析師表示。


首先,從電池結構本身來講,使用固體電解質的固態電池具有不可燃、不腐蝕、不揮發、不漏液等優勢,可極大確保電池的安全性。由正極、負極、隔膜和電解液組成的鋰離子電池,其電解液易滲出,當遇到正負極短路或者過充時溫度會快速升高,易引發電池燃燒、爆炸。且隨著能量密度提高,三元鋰離子電池鎳含量不斷提升,用于穩定結構的鈷和錳含量相應降低,安全問題將愈發凸顯。


其次,用金屬鋰做負極的固態電池可匹配高電壓正極材料,進一步提升能量密度。而現階段三元鋰離子電池電芯能量密度普遍在240-260Wh/Kg之間,高鎳三元鋰離子電池雖然可以達到300Wh/Kg,但都已接近極限,難以繼續提升。


此外,固態電池的封裝相對簡單,能省掉電池包外殼、冷卻等系統,同時可實現電池柔性化、異形化,根據不同應用場景設計不同形狀,靈活性更強。


固態電池量產尚存難點


要指出的是,當下國際主流車企、國內動力鋰電池公司以及造車新勢力,雖然都在固態電池領域進行了前瞻布局,但是固態電池技術距離量產還要解決諸多難點。


上述分析師坦言,固態電解質在安全性與部分電化學性能上雖優于液態電解質,但由于其固體的形態,也存在著先天的缺陷。譬如,固態電解質的鋰離子遷移效率直接影響了固態電解質的離子電導率。據了解,目前絕大多數固態電解質的離子電導率低于液態電解質,影響了固態電池的實用性能。


其次,在與電極的接觸上,液態電解質可以最大限度地與電極保持接觸,而固態電解質與電極之間很難做到完美貼合,如此一來,電極與電解質之間的界面阻抗就會上升,同樣影響固態電池的實用性能。


再次,如何在規模和成本之間找到平衡點,也是其量產路程中不得不考慮的重要問題。


北京衛藍新能源科技有限公司資深工程師李久銘公開表示,“目前固態電池材料體系、電芯、模組、智能制造技術尚未確定,產業鏈尚未形成?!痹谒磥?,只有安全性、能量密度、循環壽命、日歷壽命顯著提高,成本及功率特性接近甚至優于液態鋰離子電池,全固態電池技術才有競爭力。


考慮到固態電池量產面對的現實困難,以及新能源汽車對高安全、高能量密度動力鋰電池的迫切需求,作為折中方法,混合固液電解質鋰離子電池將作為固態電池發展的過渡方法。歐陽明高亦認為,當前有突破的、有產業化優勢的是固態鋰離子電池,既電解質中有固態也有液態。有測試數據顯示,相比于三元鋰離子電池,目前的混合固液產品能量密度有所提升,安全性可大幅提高,是全固態電池技術尚未突破情況下的務實選擇。


根據蓋世汽車研究院《新能源汽車動力鋰電池產業報告(2020版)》預測分析,2020年前后電池材料將重要向鎳三元+硅碳演變,到2025年富鋰錳基正極材料取得突破,到2030年電解質方面取得突破后,有望實現全固態電池。國內鋰電巨頭寧德時代亦認為,全固態電池至少要到2030年才能進行大規模量產。


雖然固態電池量產尚需時日,但是不難看出,沒能在這一輪動力鋰電池掌握住主動權的公司,都早早地將目光鎖定在下一代動力鋰電池的賽道上,固態電池則早已進入“軍備競賽”階段??梢哉f,下一個十年,誰搶下了固態電池,誰就搶下了在新能源汽車產業發展的先機。


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