固态电池样车下线,3 年内替代性应用,新能源车自燃“救星”找到了?

  • 李阳
  • 发表于: 2020/08/07 17:37:54 来源:出行一客

新能源产业心心念念多年的固态电池技术,终于走向现实。

新能源产业心心念念多年的固态电池技术,终于走向现实。

近日,一辆搭载固态电池系统的纯电动样车在北汽新能源完成调试,顺利下线。这是国内首次公开的可行驶的固态电池样车,它的下线也意味着固态电池技术在产业化的路上迈出了关键一步。

搭载固态电池系统的纯电动样车在北汽新能源完成调试,顺利下线 / 北汽集团搭载固态电池系统的纯电动样车在北汽新能源完成调试,顺利下线 / 北汽集团

相较于当前主流电池正负极、隔膜、电解液的结构,固态电池其实没有任何变化,只是用固态或半固态电解质,替代了液态的电解液。电池使用固态电解质后,既能提升电压平台从而拔高能量密度上限;又因不易燃烧、不产气等特点,极大程度上提高了电池安全性。

固态电池的优势固态电池的优势

基于以上优势,固态电池一直是下一代锂电技术的焦点。目前固态电池所面临的主要瓶颈是固态电解质的导电率、内阻、界面阻抗及相容性等。因此,现阶段各大企业的研发重点是固态聚合物电解质、无机固体电解质的设计及制备技术,固 / 固界面构筑及稳定化技术;并在此基础上完善电池生产工艺及专用设备的研究,来实现产品的量产。

近年来,丰田、日产雷诺、通用、北汽、上汽等国内外主流车企,开始加紧固态电池的研发与产业化布局;另一方面,清陶能源、万向一二三、LG 化学、麻省固能等电池企业也开始筹备建设固态电池产工厂,其中不乏已经投产的固态电池产线。

除北汽固态电池量产车下线外,今年 3 月,哪吒汽车已发布了一款搭载固态电池的新车型—哪吒 U。据合众汽车方面透露,哪吒 U 计划于 10 月份申报工信部公告,年底前量产 500 台。

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显然,在新能源领域,一场基于固态电池的卡位战悄然拉开。按照国内领先的全固态电池开发商清陶能源总经理李峥博士的预计,三年内固态电池将在乘用车领域替代性使用,即一款车以采用液态电池方案正向开发,固态电池版本对其中部分功能进行替换;三年后,基于固态电池的正向开发车型将真正走向市场,发挥固态电池高安全、高能量密度的特点。

为什么是固态电池?

根据《中国制造 2025》明确了动力电池的发展规划:2020 年,电池能量密度达到 300Wh/kg(瓦时每千克);2025 年,电池能量密度达到 400Wh/kg;2030 年,电池能量密度达到 500Wh/kg。

按照现有的三元和石墨作为正负极活性材料所组成的液态锂离子动力电池,重量能量密度极限约为 280Wh/kg 左右。即便引入硅基合金替代纯石墨作为负极材料后,能量密度的上限也只能达到 300-350Wh/kg。这也意味着想要达到 400Wh/kg,甚至突破更高的能量密度壁垒,锂电技术革新势在必行。

事实上,近年来声势浩大的新型电池技术不在少数,富锂锰基、高电压尖晶石、无钴电池、四元电池等概念层出不穷,但始终雷声大雨点小,三元锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池并驾齐驱的电池技术格局,始终没有改变。

对此,李峥的解释是," 受限于当前电解液的电压平台以及安全性,很多诸如富锂锰基、高电压尖晶石等性能突出的锂电新材料,无法发挥高比能优势,使得锂电技术革新进入了一个瓶颈期。" 同时,李峥还指出,高电压平台的固态电解质的应用,或许能打开新材料的 " 枷锁 "。

因为固态电解质其实只是电池电解质部分由液态变成了固态,对其正负极材料则没有限制,因此理论上,固态电池有千万种类型,它既可以是三元锂电池,也可以是磷酸铁锂电池。

此外,由于固态电解质高安全、高电压的特点,使得诸多新型电池材料更容易得到有效应用。一旦固态电池真正具备商业化条件,基于固态电池的诸多锂电新材料应用将接踵而至,届时,锂电技术革新或将迎来质变。

中国科学院物理研究所李泓博士也指出,固态电解质是一种通用型策略,一旦开发成功,再搭配不同的正负极材料,能满足消费类电子、无人机、动力储能、航空航天、轨道交通等诸多领域的需求。

因此,与其将固态电池看成一种新型电池产品,不如将其当作某种解锁电池材料性能上限的技术手段,这正是业内对固态电池技术寄予厚望的原因所在。与此同时,固态电解质带来的安全性质变,是当前新能源产业迫切需要的。

自新能源汽车问世以来,安全焦虑就始终萦绕在每个新能源车企心头,其中最大的痛点来自于电动汽车自燃。电动车自燃的原因不外乎锂电池发生内部发生短路后热管理失控,其中易燃性的电解液发挥着 " 重要作用 ",固态电解质最大的特点就是不易燃烧,很大程度上避免了电池热失控。

不过,需要指出的是,形成固态电解质的途径有很多种,但并非所有的固态电解质都不易燃烧。李泓就明确表示," 我们最近发表了一些文章,论证了氧化物固态电解质(固态电池的一种)优良的热稳定性,但是否每一种固态电解质都意味着热稳定,还有待具体的研究数据。"

总体来看,固态电池被寄予厚望的原因主要是其可作为电池技术革新的基础策略,同时具备高安全性。但具体到每一款固态电池,需要大量细致的研发,确保其性能和热稳定性。

固态电池什么时候落地?

尽管固态电池有着种种优势,但其产业化的进展并不顺利。2017 年,以菲斯克、丰田等车企为主,大肆吹鼓自身固态电池技术,但其量产车型落地时间却一推再推,由此可见固态电池极高的开发难度。

近日,丰田汽车公司动力总成部门执行副总裁兼电池部门总经理凯塔 · 凯塔(Keiji Kaita)在接受《汽车新闻》采访时表示,原计划在 2020 年东京奥运会上推出其固态电池供电的原型车,被推迟至 2021 年。不过,丰田仍有望在 2025 年前完成电动汽车固态电池的生产。

2025 年,或许是一个固态电池在汽车领域产业化的分水岭。根据宝马、丰田、奔驰、通用及各初创企业最新的宣传,固态电池落地时间基本锁定在 2025 年前后。

中国科学院物理研究所李泓博士表示, 车企敢于开发固态电池汽车的前提是,固态电池产能至少达到 1Gwh,在此基础上,考虑到完整的供应链成型、工艺体系成熟、产能建设足够,以及足够的路试时间, 2024 年会是一个相对乐观的半固态电池大规模应用时间节点,至于全固态,可能要到 2030 年。

相对而言,清陶能源总经理李峥的预测,则更为激进些," 目前,固态电池已经在消费电子等领域实现了量产应用,三年内固态电池将在乘用车领域替代性使用,三年后(新车开发时间大概 3 年),将会有真正基于固态电池正向研发的车辆面向消费者。"

按照李峥的描述,去年开始,清陶能源已经开始和几家主流的主机厂做测试样车。同时,据一位知情人士透露," 今年内肯定有搭载固态电池的量产电动汽车面世。"

值得一提的是,今年 7 月,刚刚完成 E+ 轮融资的清陶能源,其位于宜春的固态电池量产线已经正式投产,产能 1Gwh,已满足李泓博士判断的车型研发前提。宜春固态电池工厂将面向乘用车动力市场,并留下了足够的扩产空间。

除清陶能源能源外,辉能科技 1GWh 固态电池产线预计明年开始量产,星盈科技 2GWh 的全固态锂电池生产线预计 2024 年投产。随着电池企业固态电池产线逐渐投产,其在汽车领域商业化的脚步将越来越快。


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