电动车续航破千:硅负极已经压了固态一头?

最新更新时间:2022-01-26来源: 路咖汽车 手机看文章 扫描二维码
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发展这么多年,1000km的续航还是遥遥无期?


纯电汽车的发展,一直在推动几个领域的发展方向,包括软件包括电池。前者往深了聊就是智能化程度+驾驶辅助功能;后者是电池续航里程,和电池补能体验的优化。


智能化是靠感知硬件+算法在推进,发展很快,这几年逐步实现的功能已经从快速路发展到城市道路。后面要说的电池,一直在推进的是续航里程的提高、充电时间的缩短,但整个行业给我们的感官是变化不大。几年前最高续航300-400km,现在最大续航600-700km,即便快充也要等上几十分钟。


不能把充电时间压缩到和加油时间一样的前提下,我们开始对高续航电池憧憬。


电池续航破千公里=底气+实力‍



再次谈起1000km续航电池的原因,是因为美国电池初创公司ONE在 特斯拉Model S ( 参数 | 询价 ) 测试车上,实现了一块电池行驶约1200公里。这家初创公司,正是宝马投资的电池公司,再一次把1000km续航电池拉回到视野当中。


ONE公司再特斯拉Model S测试车上,使用了自己研发的改装电池,具体使用磷酸铁锂还是三元锂或者固态电池没有说明,电池包体积和特斯拉原厂103.9kWh三元锂电池包相当,但能量密度提升到207.3kWh。暂且不谈它的安全性能否达到量产要求,但在技术可行性上已经验证了这块电池的续航极限。


以目前普遍600km+的续航里程来看,只要把充电速度加快、普及换电模式,600km的续航里程已经能解决大部分用户的出行需求。为什么还有人热衷让续航破千?就好比燃油车时代的W12、V12发动机一样,象征意义大于实际意义,每个时代都得有个“天花板”。


眼下,包括ONE公司的Gemini 001之外,宣称要电池续航破千公里的还有:


1.蔚来的150kWh固态技术电池,2022年Q4交付;


2.智己汽车支持接近1000km续航,搭载宁德时代掺硅补锂电池;


3.广汽埃安,硅负极石墨烯基电池NEDC续航为1000km。



以上几家宣称续航破千的企业,无一例外没有再使用传统的“三元锂”和“磷酸铁锂”电池。动力电池的续航里程是靠电池的能量密度决定,磷酸铁锂目前最高能量密度≥160Wh/kg、三元锂最高能量密度≥210Wh/kg。


想要1000km的续航,以目前的技术磷酸铁锂还远不能企及,依靠三元锂理论上能实现,但肯定不是简单的把电池包做的更大、更重,一是成本问题、二是自身重量同样会给续航里程带来压力。


以上几家企业的选择包括了固态(包含半固态)电池、在负极掺入更高比例硅元素的三元锂电池。固态电池和硅碳负极能让电池续航里程破千公里,但这两类电池都有着自己的技术难点。


固态电池/硅元素负极,都具备破千能力‍


所谓固态电池,将现有电池中的电解液换成固态电解质,但我们目前所听到的大多数都还是“半固态电池”在换成固态电解质之后又加入了5-10%左右的电解液。


固态锂电池和传统锂电池的工作原理一样,也就是说锂离子迁移的场所从电解液换成了电解质,电池正极材料的升级,让固态电解质更好的做适配,利于电池能量密度的提升。这是优点一,能量密度高;其次固态电解质绝缘性更好,避免正负极接触产生的短路还能当隔膜用。


固态电池的第一大难点,电解质从液态转向固态,固体电解质的选择有氧化物、聚合物和硫化物。


1.氧化物材料的柔韧性比较差,固态电池都是固固接触,较差的柔韧性会让界面阻抗增加,其次就是大规模批量生产是个麻烦事儿;


2.聚合物存在着导电率低的问题,比现在的电解液导电率低了几个级别,而且在高温下可能会变成半液态的存在;


3.硫化物是理论上最好的选择,但也面临制备工艺复杂、对空气敏感、原材料贵等问题。


为了兼顾高能量密度、高安全性和长寿命这些综合性能,固态电池需要对电池的正负极做出调整,例如用高镍三元正极、硅碳负极、金属锂负极。低成本方案可能性很小,在整个电池的开发过程中,无论是新材料开发、使用,还是老方案的改良、实验,都需要耗费大量时间成本和资金成本。



不要把固态电池当做一个“爆炸性”的革新产品,锂电池也不是一步到位发展到如今的600km续航的实力。我们可以把固态电池分为三个迭代版本:


1.传统电解液换成固态电解质+电解液形成半固态电池,正负极材质和传统锂电池一样不变;


2.正极依旧使用三元材料或者磷酸铁锂,负极用金属锂提高电池能量密度,依旧还是半固态电池形态保留电解液;


3.找到固固接触最安全、效率的解决方案,去除电解液,更换负极可以换上更高比能的硅碳负极、金属锂负极。


我们现在所谈、所见的固态电池大多数都处于最初阶段的固态电池,在真正的固态电池大批量量产之前,半固态电池会暂时成为市场主流。


已经有车企发布了自己品牌固态电池上车时间表:


1.福特、宝马在2022年开始用硫化物固态电解质电池,宝马可能会在2030年正式量产(可能是上文投资的ONE公司产品);


2.大众计划在2025年使用固态电池,到2030年在欧洲建6家电池工厂;


3.现代计划在2030年推出固态电池产品。


固态电池之所以难搞,技术层面上几乎等同于从零开始,之前量产电池的技术储备关系不大。对于市场来说并非非固态电池不可,市场只是需要一款高续航里程的电池,根本不在乎你是固态、半固态,还是硅碳负极电池,最终的目的都是推动电池技术发展提高1000km续航电池的性价比和商业化落地。比起固态电池,硅碳负极电池已经更早的小批量的产业化应用了。


为什么说硅碳材料已经产业化应用了呢?举例,广汽埃安AION LX PLUS千里版最大续航1000km,用的是海绵硅负极电池,用硅元素代替了传统的石墨元素。


之外,还有我们更熟悉的产品/企业:


1.从2019年开始,特斯拉Model S动力电池的阳极掺入硅元素;


2.特斯拉Model 3,在人造石墨中加入10%硅元素,单体能量密度达到300Wh/kg;


3.宁德时代,高镍三元+硅碳负极电芯比能达304Wh/kg。


硅元素是地壳中含量第二丰富的元素,而且硅基材料有更高的能量密度,但它的弱点和难点就是充放电过程中体积会膨胀。硅元素频繁多次的充放电后,体积反复膨胀、收缩,可能会导致硅颗从内部堆积导致硅材料粉化,最终的结果就是循环性能变差。


所以,硅基负极材料想要商业化落地、推广应用,必须得通过改性研究。例如,特斯拉硅元素负极通过硅碳比例不断调整才是正解,当硅元素负极发展到特斯拉Model 3上的时候已经是第三代改良版,并且已经掺入了10%的高硅含量。


对于硅负极的改性应用,主流的手段是导电材料复合、纳米化、新型粘结剂、界面稳定性优化等手段。


1.导电材料复合,也是现在比较常见的硅碳负极这样的组合;


2.纳米化硅元素有着更高的容量、更稳定的结构和性能、更快的充放电能力,但制备方法复杂成本高;


3.粘结剂能更好的一直硅颗粒的粉化,提高硅负极材料的循环稳定性。


而上面提到的AION LX PLUS宣传材料中,提到的是用“海绵硅负极片”电池来看可能是替换了原先中航锂电提供的石墨/硅复合负极,至于用没用上面提到的纳米化、新型粘结剂处理手段,我更倾向于用了毕竟得提高硅元素负极材料的循环使用寿命才能满足市场需求。


其实硅元素/硅符合材料负极早就开始应用了,区别就是硅元素含量的事儿,在能保证循环使用需求的前提下现在300Wh/kg能量密度的电池基本上用的都是硅碳负极材料。同理,和锂电池、固态电池一样,都得慢慢迭代把负极里的硅元素比例提高。


总结‍


于市场而言,需要的是一款性价比高的电池,固态/半固态和硅元素负极电池,谁能更快的商业化落地?两种类型的电池都需要慢慢迭代升级,而目前来看硅负极材料电池正在“迭代”不断提高硅元素的比例,而固态电池的首款量产产品还没正式装车。


无论以上哪种电池成功的商业化落地,都是电池技术的革新,现在的锂离子电池几乎已经被推到了性能极限,在不增加能量密度的前提下只能用堆量换高续航里程。但留给新电池的难题,除了技术上的革新之外,在成本控制上也同样是个不小的难题。


编辑:鲁迪 引用地址:电动车续航破千:硅负极已经压了固态一头?

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