电池技术要变天?下一代锂金属电池,离我们到底还有多远?

最新更新时间:2021-11-25来源: 电动车公社 手机看文章 扫描二维码
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大家好,我是电动车公社的社长。


最近,广汽埃安率先发布了全球首款1000公里续航车型,堪比不少混动和增程车型,着实让不少人惊掉了下巴。


大家都没想到,超过1000公里续航的车型居然来得这么快!而且也的确没想到,广汽年初夸下的海口,居然真的实现了。


里程焦虑,似乎不再是购买一台新能源车最大的阻碍了。


不过新能源车能实现1000公里的超长续航,核心要点还是能量密度。


我们知道,锂电池是由正极、负极、电解质(也就是电解液)、隔膜和电池外壳组成的。





不严谨地说,电池中锂离子所占的比例高低,决定了储存能量的多少。


就比如AION LX使用的海绵硅负极片电池技术,从负极的硅碳材料入手,将电池包的成组能量密度提升了差不多20%(205Wh/kg,144.4kWh)。


明年上150度电池的蔚来ET7,也是在硅碳负极的基础之上额外采用了混合固液电解质,才把单体电芯的能量密度提升到了360Wh/kg。


即使是按照70%的成组效率来算,电池包的密度也会大于250Wh/kg。1000公里成就get√。




在业内量产的电池技术里,这两家基本上快摸到锂离子电池能量密度的天花板了。


但真正的天花板,还得说是采用固态电解质、能量密度更高的全固态电池。


等到大规模量产的那一刻,或许随便一台车都有个千八百公里续航,配合超充就是一个字:香。


但就在前几天,突然冲出了几家像SES、恩力动力这样的电池初创企业,宣称自己已经已经成功研制出了新型的锂金属电池,并且很快就能量产。




这种电池在负极直接使用了锂金属,能量密度居然能接近几年后量产的全固态电池!


这让社长有些好奇:这种锂金属电池是什么来头?它是不是下一代的新型电池技术?


电池巨头的格局,又会不会发生新的变化?


今天,我们就来好好聊一聊。


01. 锂金属电池的前世


从广汽和蔚来的例子中我们不难发现,两家车企就好像事先约定好了,都采用了硅碳复合材料作为负极。当然,对负极材料下狠手的,还有“掺硅补锂”的智己。




相比于现在市面上绝大多数新能源车采用的石墨负极电池,硅负极材料的理论锂离子容量能达到4200Ah/kg,比石墨的372Ah/kg高了十倍有余,也就变相提高了能量密度。


如果按照美国能源部的定义,根据负极材料的不同、能量密度逐渐增加、把锂电池技术分为三代的话,最常见的石墨负极电池就是第一代,即将铺开的硅碳负极电池属于第二代。




而第三代,就是在负极直接应用金属锂的电池了。


熟悉新能源车的小伙伴都知道, 1881年法国工程师古斯塔夫·特鲁夫就制造出了全世界第一辆电动车,其采用铅酸蓄电池供电、直流电机驱动,比第一辆奔驰还早了4年。


锂金属电池的发展历程,也颇有几分早期电动车的意味。


早在上世纪70年代锂电池刚刚诞生的时候,科学家们就尝试过应用金属锂作为电池的负极,比索尼面向市场推出首款锂离子电池的时间,足足早了20年。




如今的锂离子电池看到锂金属电池的话,可能还得叫一声“爸爸”。


而科学家们看重锂金属直接作为负极的原因也很简单——


金属锂的性能,实在是太棒了!


它的理论锂离子容量能达到3850 Ah/kg,和硅负极的理论容量差不多。


与此同时,又有着金属中最低的密度(0.534g/cm³)和最负的电化学电位(-3.045V),非常容易吸引电子。


这也就是说,作为负极材料的锂金属比硅还优秀。它有着极高的能量密度,电池的电压也更容易做得更高。




在现实生活中,我们最常接触到的锂金属电池,其实是汽车钥匙中的纽扣电池。它能够一次性使用3年左右的时间,而且体积能做得很小。


就比如CR2032型号的纽扣电池,这个C就代表着锂金属负极。当然2032R和特斯拉的18650也是一样的逻辑,代表着直径20mm、高度3.2mm的圆柱体。


但从中也不难发现:这个纽扣电池从来没有人说要充电,都是没电了就换——


这是个用完了就扔的一次性电池啊!




没错,这也是锂金属电池迟迟得不到量产的最大原因,安全。


其实从2015年1月起,国际民航组织就已经针对单独的锂金属电池UN3090在客机上作为货物运输。这项禁令比起锂离子电池UN3480来说早了1年多,可见其危险性。


具体怎么不安全,建议参考一下三星手机爆炸门。


锂金属电池不安全的原因,也和爆炸门的手机有几分异曲同工之妙,都是刺穿了正负极之间的隔膜。正负极直接连接导致电池短路,从而过热、起火爆炸。




就好比一块奶酪三明治,上下两边的面包把中间的奶酪扎透了。只不过电池这个“面包”直连的代价,实在是有些惨重。


而锂金属电池和三星Note7之间的区别在于,Note 7是由于工艺问题,正负极上的焊点有毛刺,才刺穿的隔膜(面包做得又硬又糙,给奶酪扎了个透心凉);


锂金属电池,则是由于不可逆的锂枝晶生长。相当于面包在放置/食用的过程中,自己长出来一块,给奶酪扎了个透心凉。(奶酪:我招谁惹谁了!生气)




至于为什么会有锂枝晶生长,简单来说就是锂离子实在是太贪玩也太调皮了。它从正负极之间跑来跑去的过程中迷了路,最终沉积在负极的表面上,再也不动。


而且它还特别喜欢挂在有凸起的粗糙表面,久而久之就越长越长,最终形成像小树苗一样的锂枝晶。




其实在一开始,并没有人发现锂枝晶的破坏作用,而是用血和泪的教训换来的。


作为全球第一家把充电锂电池推向市场的公司,来自加拿大的Moli Energy可以说是走在了时代的风口上。


其将二硫化钼作为正极,金属锂作为负极,推出了能量密度超过100Wh/kg的电池。一经上市,便在消费电子产品飞速发展的环境下风靡全球,获得了大量订单。


但好景不长,初代产品刚刚售出200万只,就出现了起火爆炸的安全事故,随后宣布召回所有产品并提供经济补偿。最终只能资不抵债,破产拍卖。




接手的日本NEC公司随后又生产了50万只电芯,并安装在新款的手机上。


不幸的是,经过长达一年半的“蹂躏”,这批手机电池几乎都出现了问题,从电池衰减到起火爆炸应有尽有。无数经费背后,只是一场绚烂的花火。


但万幸的是,这批电池仅仅用于测试,并没有交付到消费者手中。


用惨痛的代价验证了锂金属电池极低的可靠性之后,锂金属电池也被时代所封存。


02. 锂金属电池的今生


2008年发生了两件事,间接让锂金属电池激动地拍打着棺材板,重新复活了。




第一件事,是特斯拉Roadster的横空出世。


这台300多续航、零百加速不到4秒的油改电小跑车,第一次让许多人看到了新能源车的无限可能,也拯救了第一次濒临破产的特斯拉。


而它能够让马斯克成功说服投资人,靠的正是18650电池的高能量密度。


对新能源车来说,高能量密度代表着一切——更长的续航、更快的充电速度、更轻的车重……百利而无一害。


正如这句玩笑话说的那样,“燃油车最牛的是油箱,最拉胯的是发动机;电动车最牛的是电机,最拉胯的是电池”。




能量密度,就是动力电池最大的痛点。


在政策的驱使下,在现实的推动下,看到了希望的车企也纷纷开始立项新能源车,进行一次次大胆的尝试。


从那时起,所有的车企和电池企业都在考量一项相同的核心指标,能量密度。


这一目标,甚至还“传染”给了3C消费市场,一时间大家都在追求更小的体积和更轻的重量。




另一件事,是全球都不约而同地开始布局,把资源和精力都投入了新能源产业。


远的比如大洋彼岸的美国,在小布什和奥巴马交接前后,美国能源部几乎不计成本地投入清洁能源项目。


无论是太阳能电池、锂电池、燃料电池、水分解、风能还是核能,只要是清洁能源就立项。还鼓励各大高校,在学术上给予大力支持。


这批博士生毕业之后,创立了一大批搞技术的锂电池初创企业,都或多或少地经历过数轮融资。有些已经被大企业并购,而有些则坚持到了上市。




我们当然也不甘示弱,由科技部、财政部、发改委和工信部共同启动了十城千辆工程,准备用3年左右的时间每年发展10个城市,每个城市推出1000辆新能源汽车开展示范运行。


有了市场,就不愁没有高校和科学家带头研究。


除此之外,我们还特意也出台了退税和补助政策,大力支持国内风电设备的发展。


至于光伏行业,为了避免金融危机给出口带来的影响,发改委用一次史无前例的招标,拉开了国家级光伏发电特许权项目的序幕。一出手,就是1万千瓦时。


如今大国博弈的种子,其实在那时就已经埋下。


但不管怎样,新能源行业都离不开一样最重要的东西:电池,而且是高能量密度的电池。




但对于现阶段的锂离子电池,在业界看来,一抬头就能够看到瓶颈。目前的硅碳负极技术已经研究多年,技术接近成熟,但对能量密度的提升却并没有想象中那么高。


于是,业界分成了两派。


一派有点像传统武学的“六大门派”,其中最典型的,就是97岁获得诺贝尔奖、过了今年就100岁的John B. Goodenough教授,“足够好”老爷子。





仙风道骨的,是不是有点像张三丰?


在他看来,负极依然需要硅基或者锂金属这样的高能量密度材料,但解决问题的根本方案,还是要从固态电解质下手。


只要能够研发出高电导率、稳定性强、价格低廉、界面稳定性好的固态电解质,能量密度就能提升一个极大的量级。


顺便,还能解决一下锂金属电池锂枝晶生长的安全问题!


这也就是说,只要固态电解质成功量产,那么全固态锂金属电池也就指日可待了。


如果还拿三明治来举例子的话,大家可以想象一下面包(正负极)和奶酪(隔膜)之间隔着一大片完全脱水的牛肉干(固态电解质),是不是很难再刺穿奶酪(隔膜)了?




老爷子短期的目标,就是在102岁退休之前、或者延长退休年限之后,能够攻克这一值得再次颁发诺贝尔奖的世纪难题。也正应了老爷子的那句话——


“这就是我去世之前要做的事情:留下一个更清洁,更美好的世界。”


当然,按照中国电池工业协会副理事长黄学杰的说法,我们在迈过锰酸锂电池、三元锂/磷酸铁锂电池、全镍/无钴电池之后,长期的技术目标,同样是全固态电池。


目前,包括宁德时代、比亚迪、三星SDI、韩国SKI、松下在内的多家全球锂电池巨头,也都在积极布局固态电池。可以说,这就是未来明确的方向。




但全固态电池实现起来,却没有想象中那么容易。


一方面固态电解质的导电率会低于液态电解质,而且正负极和固态电解质之间也没办法很好地融合。简单来说就是充电慢,电阻大。


所以全固态电池还无法大规模应用在主流3C产品和动力电池中,更不要说能量密度更高的全固态锂金属电池了。


这一派,可能要让我们等上5-10年的时间。




于是,就出现了有点像“江湖野路子”的另一派。就是我们刚才提到的,在2008年前后创立的几家国外公司,以及国内的科学家带头研究的电池初创企业了。




03. 什么时候量产?


这几家里进度最快的,是一家名为SES的锂金属电池初创企业,由麻省理工的博士胡启朝一手创办,也是2008年新能源行业井喷后的产物。


在11月初举办的首届SES BatteryWorld上,SES发布了全球首款容量>100Ah的大型锂金属电池Apollo,明年就能推出样品,而2025年将会正式量产。




这造型,像不像刀片电池?


从时间来看,这非常符合一个外企对于开发时间严谨的态度,也是为了跑完为期5年的测试流程。


但要说这是个PPT期货,也的确一点都没错。


从电芯的参数上看,Apollo 417Wh/kg的重量能量密度和935Wh/L的体积能量密度已经接近固态电池,差不多是现款锂离子电池的一倍左右。


但对于最重要的安全问题,SES却采用了一种另辟蹊径的特殊方案,似乎是把电池自燃的问题扼杀在了萌芽中。




硬件层面,SES研发了一种高浓度的锂盐电解液,作用是改变锂枝晶的微观形状,从尖头的“树杈”变成圆头的“挖耳勺”,避免直接刺穿;


此外还在电镀负极表面的时候使用添加剂,从而在负极锂金属的表面形成一层光滑的保护膜,减缓锂枝晶的生长速度。


软件上,SES的Avatar电池监测软件会从原材料和生产检测开始,再结合充放电状况和使用工况等信息,模拟出一个和实体电池包非常接近的“虚拟电池包”。


这个虚拟电池包就像提前探路的清扫机器人,给真正的电池包开路。一旦发现锂枝晶即将长到危险的形态,会提前几个月就进行预警,确保电池系统的安全。




据悉,这款电池包将在上海嘉定国际汽车城的超级工厂进行量产,计划于2023年前后投产,年产能1GWh,差不多是宁德时代的1%。


在完成所有的测试之后,将会主要供应给通用汽车和现代起亚。


至于为什么会是通用汽车和现代起亚,社长还特意查了一下,却发现了一个SES的惊天大秘密。




早在2013年,SES就已经拿到了450万美金的A轮融资,随后的BCD轮更是一共拿到了1.81亿美金。最近和艾芬豪资本收购公司合并之后,很快就会在纽交所正式上市。


目前预计的估值,是36个亿。


而SES背后的投资人,正是包括通用、现代起亚、SKI、淡马锡、天齐锂业、上汽集团这种汽车圈里的大佬级企业!


所以SES和通用、现代起亚走得那么近,也就不足为奇了。




在这些投资人里,天齐锂业作为一家锂电池核心材料供应商,控股SES就等于控股下游企业,或许还可以理解。但SKI明明和SES是竞争关系,为什么还要控股?


针对这个问题,社长走访了一下行业内的工程师,也求证了一下胡启朝本人。


最终得到的答案是,这种大型电池供应商工作项目很多,重心往往会放在降低成本、提高效率上,对于不能立刻商业变现的项目投入不会很大,基本只会在千万级别。




相比之下,这种新型电池技术就是一家初创企业赖以生存的根基,孤注一掷也要把新技术量产出来。


从生产的角度来讲,SES的锂金属电池和普通锂离子电池的生产工艺非常类似。正极、隔膜、外壳都相同,有所区别的仅仅是电解质和负极材料,这部分不会增加成本。


但目前Apollo电池大规模量产的最大挑战在于这一大片又薄又长的锂金属负极,但有了天齐锂业的合作关系,应该不会很难。


锂金属电池制造的单位成本肯定会比普通电池要高,但整体应该还是处于可控范围之内。




04. 写在最后


其实在采访胡启朝本人的时候,社长还问了一个比较私人的问题。


“如果假设现在SES已经超额完成目标,启朝也已经功成名就了,下一步你会怎么选?”


“是会像马斯克一样,换一条新的赛道继续前进,还是有其他的人生目标?”


而胡启朝本人的回答是,“我希望能够在3-5年内把SES好好做起来,从上游的原材料开始整合,降低电池的成本。”


“等到SES跑起来之后,我个人希望能够借助SES的力量,去打造飞行汽车。”


或许像马斯克、何小鹏、胡启朝这样的“大男孩”,都有一个心中的飞行梦吧。




我们现在的确无法看到飞行汽车能够展翅翱翔,或许我们这辈子都见不到电动火箭飞上太空。


但社长相信,在这些理想主义者的带领下,用不了几年,未来的生活会发生天翻地覆的变化。


过去的几年如此,未来的几年同样如此。


编辑:鲁迪 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qcdz/ic555636.html

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