冬天来了,又到了电动汽车集体“趴窝”的季节。
低温环境下,锂电池续航急剧衰减已然是不争的事实。不管电动汽车车主如何维护保养,都避免不了续航里程锐减。每当看着汽车屏幕上不断缩小的续航里程数字,总有人憧憬着电动汽车摆脱续航限制的那一天。
别着急,新一代电池技术已经在路上了。前几天,北汽蓝谷在互动平台表示,其第二代固态电芯开发已经完成,正在进行电池系统台架测试和整车搭载验证。消息一出,再次让固态电池技术处在风口浪尖上。
固态电池,具有高能量密度、高导电率、安全性高等优势,被誉为汽车锂电池的终极形态。甚至有专家放出豪言:“全固态电池普及之日,就是燃油车退出历史舞台之时。”
为了让固态电池早日投入使用,各大车企、初创公司纷纷投入大量人力物力,企图借此一举成为电动汽车的王者。
今年 1 月,蔚来高调发布固态电池包,声称将在蔚来 ET7 轿车上使用;今年 4 月,宝马发布固态电池规划,计划在 2025 年前推出固态电池原型车,2030 年前量产。除此之外,汽车动力电池“御三家”宁德时代、LG 化学、松下也纷纷开展固态电池研发计划,一个属于固态电池的时代似乎即将来临。
固态电池是未来科技
固态电池,就是使用固体材料作为锂离子来回移动的电解质。在目前常用的汽车电池中,基本采用电解液作为电解质,某种程度上可以将其称为液态锂电池。液态锂电池可能因短路、高温而发生起火,锂离子在反复沉积和析出过程中,金属锂负极表面容易生长出锂枝晶,并发生粉化,大大降低了电池的利用率,从而缩短电池使用寿命。
枝晶在电解液内生长,有时候会穿透隔膜,就会引发漏液,接着就会引发电路短路,最后电池高温自燃。平时经常在新闻中看到电动汽车自燃事故,其中大部分都是因为枝晶疯涨,从而引起电解液漏液。固态电池电芯内不含电解液,也不需要电解质盐与隔膜,彻底杜绝了漏液引发的自燃问题。
此外,固态电池没有液体,也就不需要复杂的封装系统,也不需要 BMS 温控组件。汽车动力电池,并不是像四驱车那样将柱状电池直接塞到电池盒内,需要用一层层包装将这些柱状电池、方形电池包起来,然后组成电池包,最后再将其安放在汽车底盘上。这一层层包装,其实就是复杂的封装与温控系统,保障汽车安全。
固态电池技术出现后,封装系统可以更加简单,电芯占电池包的比重也更高。如此一来,电池包整体能量密度也会得到相应提升。综合来看,固态电池有望突破 500Wh/kg 瓶颈,将电动汽车续航里程提高到 1000 公里以上。
▲不同电池 Pack 电芯占比
如此一来,电动汽车续航与传统汽车不相上下,续航再也不是电动汽车的缺点。更令人兴奋的地方在于续航里程衰减,固态电解质保证了电池的内阻,长时间使用也不容易出现续航里程衰减的问题。换句话说,这个续航里程是长期稳定的数据,不会随着天气变化与使用时间而快速衰减。
电池尺寸小、安全性强、续航里程长,固态电池简直就是完美的锂电池技术,如果有人觉得固态电池技术不好,小黑第一个不服。就连中科院院士欧阳明高也曾公开表示,要实现 2030 年 500Wh/kg 的能量密度目标,固体电解质层面的突破是不得不走的必由之路。
可是,理论数据再好也没用,固体电池技术研发难度太大,就像可望而不可即的艺术品,难以在大众层面普及。
明年谁能率先量产?
近些年来,关于固态电池出现突破性进展的新闻不绝于耳,只可惜现实一次又一次让人失望。今年年初蔚来 ET7 搭载固态电池的消息传出,一度引爆整个汽车圈。在发布会上,蔚来声称 ET7 将会在 2022 年的第四季度上市,电池能量密度达到 360 Wh/kg,一次充电续航里程突破 1000 公里。
虽然能量密度不尽人意,但是续航里程确实让人心生向往。要知道,目前续航里程最长的电动汽车,也不超过 800 公里。一旦蔚来 ET7 的数据成真,那将是电动汽车革命性转折点。
然而,最新数据显示,量产版的蔚来 eT7 将采用三元锂电池和磷酸铁锂电池,并没有传说中的固态电池。或许,蔚来固态电池技术尚不成熟,前期先用三元锂电池与磷酸铁锂电池过渡。
▲蔚来 eT7
另一个放出固态电池豪言的公司是 Fisker。早在四年前该公司就申请了充电 1 分钟,续航 800 公里的固态电池专利。三年前, Fisker 表示他们攻克了固态电池技术难题,最终设计即将公布,可直到今天, Fisker 固态电池轿车始终没有出现。前不久, Fisker 表示该公司已经放弃固态电池计划,全球第一家声称量产固态电池的公司正式宣告失败。
其实,每年都有很多公司宣告攻克或即将攻克固态电池技术。国内有蔚来、北汽蓝谷,国外有 Fisker、Saturnose,都宣称明年量产。然而固态电池的未来并不会由这些公司决定,真正的固态电池明年也很难量产。
何为真正的固态电池?
固态电池有三大路线,分别为聚合物全固态、氧化物全固态与硫化物全固态,其中聚合物全固态与氧化物全固态离子电导率特别低,尚且不如三元锂电池,因此目前主流路线为硫化物全固态。
在欧洲,大众投资的 Quantum Scape 技术相对先进;在美国,Cymbet、Quantum Scape、SolidPower、Polyplus 等一系列初创公司在努力;在东亚,这个电池技术最为发达的地区,韩国有现代、LG化学、三星,日本有丰田、本田、松下,中国有宁德时代、江苏清陶、北京卫蓝、赣锋锂业、无锡海特。
▲丰田固态电池技术
日本在 90 年代就开始硫化物固态电池研究,以丰田为代表的企业积累了足够多的经验,丰田、松下等企业均表示 2025 年硫化物全固态电芯量产。国内这边情况相对复杂,氧化物体系产业化工艺在全球领先地位,借此衍生出固液混合电池。
▲固液混合电池
蔚来宣称的固态电池,其实也就是氧化物固液混合电池。该技术难度比硫化物固态电池低,研发速度也相当快。北京卫蓝(蔚来合作企业)、江苏清陶等公司甚至直接保持目前已有的液态锂离子电池生产线,只是在材料中添加氧化物成分,如锂镧锆氧、LAGP、LATP 等等。
氧化物离子导电率差,甚至不如液态电解液,且固-固接触不好,难以单独存在,只能与电解液或者聚合物复合。固液混合电池,虽然可以降低电池中的电解液含量,但是并没有改变液态锂电池的固有缺点。枝晶生长、Pack 电芯占比以及安全性问题都无法解决,甚至人们最为关注的续航里程问题,固液混合电池提升幅度也不大。
▲枝晶
某种程度上说,目前业界宣传固态电池的种种优点,大多指的是硫化物全固态,与氧化物固液混合电池关系不大。通俗地说,固液混合电池并不是真正的固态电池。蔚来、北汽蓝谷目前测试的固液混合电池,确实可以在现有技术基础上提升一点,可并不能解决锂电池面临的各种难题。行业真正的革命性改变,还得等全固态电池登场。
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