固态电池时代真的要来了吗?

2021-05-15
机器之心 魏雨蘅 曹锦

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从实验室神速进入商业化,是变革还是忽悠?


近日,随着福特和宝马宣布对固态电池技术的公司Solid Power进行了1.3亿美元的投资,他们都发布了一些关于固态电池的规划,包括这两家车企都将从明年开始搭载Solid Power全尺寸100安时(Ah)固态电池。而目前,Solid Power已在中试生产线上生产20 Ah固态电池。


在投资消息发布前,宝马集团就已宣布,将在2025年发布应用固态电池的原型车,并在2030年为量产车型配备固态电池。而福特除了投资Solid Power,也将斥资1.85亿美元建设合作性学习实验室,该实验室将开发和制造锂离子和固态车载动力电池单体和阵列。


另一方面,大众在与QuantumScape合作9年后,宣布2025年开始生产固态电池,一次充电可以达到500英里(约804公里)的行驶里程。4月,大众汽车在QuantumScape测试新一代固态电池时,又对后者追加了1亿美元投资。


一时间,固态电池的应用变得愈发现实,似乎从实验室到市场应用指日可待。不过,每项革新技术在应用前,都将遭受质疑,更何况是仍面临种种技术攻关的固态电池。Guidehouse Research的分析师Sam Abuelsamid曾表示,固态电池的供电要比锂离子电池的供电难得多,但是这项技术拥有广阔的前景,无论哪家公司首先实现技术突破,都可以赢得竞争优势。


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BMW iX


是变革,还是忽悠?


2021年还未过半,包括大众、宝马、福特、蔚来、本田以及保时捷在内的多家车企就已经发布了自家对于固态电池的研究计划。


除了「SolidPower」和「QuantumScape」那两大阵营,蔚来在今年1月也宣布将在2022年年底应用能量密度360Wh/kg,容量150kWh的固态电池;本田声明要在2040年实现在售车型全电动,并将会使用固态电池与氢燃料电池;而宁德时代与比亚迪早在2019年就已申请了固态电池的技术专利;同时,国内还有清陶能源这样的企业自2018年底开始已经正式投产固态电池,但是目前量产的固态电池尚不能用于新能源汽车,主要应用领域是特种安全领域。


从多家企业及研究机构发布的数据来看,固态电池相较于传统锂电池具有压倒性优势:能量密度较高,由于不需要使用隔膜和电解液,体积也会更加轻薄;使用固态电解质的电池会有较高的柔性化前景,即承受成百上千次的弯曲而性能基本不会衰减,相比于传统锂电池安全性更高。目前,企业对固态电池规模化使用的预计时间普遍都在5-15年间,且技术路线中的电解质会经历液态,半固态,固液混合最终达到全固态。


尽管看起来前景非常美好,但一位资深电池专家还是对Auto Byte表示,在没有拿出具体解决方案的前提下,想在10年内普及固态电池还是显得不太现实。「在给出时间点的同时,也应当提供具体技术方案和路线,以及研发者对于固态电池的自身定义。不然,单纯从固态电池技术角度看,在规划时间内不可能实现量产。如果某些企业自称能够快速量产固态电池,那应当明确他们对于所生产的『固态电池』的定义。」


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蔚来文章截图


对此,中国汽车流通协会常务理事贾新光曾表示:「固态电池应当就是全固态,不然就只是伪概念。」「固态电池现在在国际上也没有突破的进展,但有一种过渡方案,就是加一点液体电解质,但是一点是多少呢?」其实,直到目前还有一些学者认为,企业及媒体对固态电池的炒作,与对纳米、石墨烯的炒作是一样的,都过于高估其可行性了。


而苏州大学能源学院的黄程教授则在之前的采访中表示,使用固液电解质的电池可以看作是广义上的固态电池,「只要液体不流动,就可以叫做固态。固液混合的电解质也可以,这不稀奇的。」黄程教授也说现在手机和平板所使用的凝胶电池也是类似与固液混合电池的。


央广网报道称「这是固态电池到来前的一个过渡方案,也就是同时使用固态电解质和电解液,但是两者混合的比例和安全性目前在国际上还没有定论。」


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固态锂电池与传统锂电池对比


技术难点:电解质、性能、工艺


早在2017年12月,丰田就曾表示将在2020年初开始生产固态电池,但是在2019年,丰田研发部负责人寺重茂树(Shigeki Terashi)表示,丰田只会在东京奥运会技术展中推出一款使用固态电池供电的电动汽车,且在2030年之前不会销售使用固态电池的车辆。他说:「我们将生产配备固态电池的汽车,并在2020年展示该产品,但批量生产固态电池的时间将稍晚一些。」然而随着东京奥运会的推迟,改款原型车至今仍未得到展示。


目前来看,固态锂电池所面临的技术难点,首先是固态电解质材料中的锂离子电导率偏低——固态电解质有三种:聚合物电解质需要加热到60℃才可以获得足够的导电率;氧化物电解质中锂离子的电导率比液态要低很多;硫化物电解质中的锂离子导电率跟液态相近但是易氧化产生有毒气体。


而且,相关电池专家也对Auto Byte表示,固态电池面临的难点不光是电解质的问题,还包括循环性能差、固固界面的反应机理及机制问题,以及锂负极的可充性等等。例如,固体电极与固体电解质界面的接触性和稳定性差,固体/固体界面接触无润滑性,会导致内阻加大,循环性能变差。最后,固态电解质中的锂反复充放电的循环性和安全性还需要继续研究。再加上固体电解质成本较高,全固态电解质锂电池制作工艺复杂,也使得固体电池成本高昂。


即便如此,「5-10年实现普及」仍旧是多家车企和研发机构发布的目标。例如除了车企之外,国轩高科工程研究院常务副院长徐兴无也表示,固态电池实现规模化商用预计要到2025年;国内动力电池的龙头企业宁德时代也表示预计固态电池上市需要等到2030年等等。这也为什么,像Solid Power和QuantumScape这样的固态电池创新型企业会受到资本市场的热捧。


神速量产,依靠什么解决方案?


技术解决方案以及企业对固态电池的定义,无疑将成为企业吸引投资以及量产可行性的参考要素。


首先,从固态电池定义来看,Solid Power 和QuantumScape都是只研发生产全固态电池,而且研发进度比较超前,明年就能初步装车应用。其实,早在2018年,大众集团的子公司奥迪就曾在蒙特利汽车周上展出PE18 E-tron概念车,这是世界上第一款装备了固态电池的电动汽车。当时,大众也早已开始对QuantumScape投资。


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大众集团在德国萨尔茨吉特的电池研发工厂


既然前提是「只生产全固态电池」,那么,在技术上如何实现,在双方提出的解决方案上也可窥出一二。只是,关键信息仍处于保密阶段。


QuantumScape在固态电池研发领域最领先的技术优势是他们使用特种陶瓷制成的正负极隔膜。该公司对这种陶瓷的制作方法保密,他们称这种材料可以有效防止锂金属枝晶导致电池内短路,并且在实验室中对4层电池循环充电超过800次后,仍保持80%以上的电池容量。同时,使用这种材料可以取消放置于隔膜和阴极之间的锂金属层。在电池结构中,QuantumScape取消了传统电池中的人造阳极设计,充电时锂金属会从阴极上分离,通过陶瓷隔膜沉积在隔膜另一侧,形成锂金属阳极。


但是电动汽车所使用的电池是多层电池,仅有四层的电池是无法在电动汽车上进行商用的。目前QuantumScape所进行的研究都是基于单层电池,并且他们并未公开所使用的技术。密歇根大学的材料学教授杰夫·坂本(Jeff Sakamoto)与QuantumScape同样在进行锂电池枝晶方面的研究,他在查看过该公司的专利文件后表示,「当电池开始形成枝晶时,他们可以阻止,让电流逆转。如果小心控制,就能绕开枝晶问题。」他认为该公司只是找到了一种巧妙的电池操纵方法,并不是在材料学上做出突破。而QuantumScape的竞争对手Solid Power的CTO贾许·布特纳-加勒特(Josh Buettner-Garrett)曾表示,制造单层电池是一回事,制造多层电池并保持同样的性能又是另一回事。


至于Solid Power,在去年年底该公司宣布原型固态电池ASSB将于今年投入量产,该公司称ASSB不含任何液体或是凝胶物质,是真正意义上的固态电池。ASSB在生产技术方面并没有看出太多的革新,正如Solid Power官网中写到的一样,「简单地把最先进的阴极与锂金属阳极组合在一起」。ASSB的制作使用常规加工工艺以及设备,生产方式也为常见的卷对卷制程,与现在的锂离子电池生产线高度兼容,其主要优势在于高容量的复合阴极,可以提供相当于市面上最先进的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2为阴极,石墨为阳极的电池三倍的容量。


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图片来源:宝马悦报


不过ASSB在追求与现有制造设备兼容性的同时,难免会牺牲一部分性能。Solid Power在去年欧洲先进汽车电池会议(AABC)中提供的数据显示,22层的ASSB经过30次循环充电容量就会下降到80%以下,电池能量密度较低,充电速度相比于QuantumScape的产品也较慢。


对于电解质,目前在市场上,包括宁德时代、三星和LG Chem在内的多数大型电池生产商的重点都放在硫化物电解质上。「硫化物具有可扩展性,我们可以在室温下对其进行处理,并且可将其结构塑造得更适合商用。」加州大学圣地亚哥分校(UCSD)纳米工程系的科学家达伦·谭(Darren Tan)说,氧化物更易碎,并且需要更高的烧结温度,而聚合物在室温下的导电性表现一直不太理想。


像UCSD一样,Solid Power也专注于硫化物电解质的研发。「我们认为硫化物具有最全面的特性,」布特纳-加勒特说,「目前,大多数OEM和汽车制造商都将重点放在硫化物电解质上。许多人将聚合物视为进入固态电解质的第一步,而当今大多数氧化物电解质仅限于学术界。」


总体来看,各家研发机构、厂商对于固态电池的研发规划有些大同小异。UCSD的达伦表示:「现在固态电池发展的大多数阻碍都是在工程技术上,而不是在固态电池的理论科学之中。」如今,固态电池已不再是一项遥不可及的技术,可它的商业化应用还有待长期的测试和验证。在全面开始制造之前,固态电池还需要经过大量的原型设计与中试生产,因为不光是其性能表现需要符合人们的预期,其成本也需要逐步下降至可接受范畴。或许就如达伦所推测的,固态电池要是想有更深的市场渗透率,还是要依靠经济环境与政府的扶持策略。


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