固态电池:颠覆性革命的彷徨、掣肘与变数

发布日期:2024-04-30     68 次

近日,中国科学院青岛能源研究所发布消息,称其硫化物电解质研究取得新进展,打通了硫化物全固态电池的大型车载电池制作工艺的最后一道难关。

目前,该所已建成公斤级硫化物电解质批量制备中试线一条,能够实现公斤级稳定制备,并搭建了全固态电池小试制备线。

眼下,固态电池炙手可热,“准900V超快充固态电池”、“轻松做到1000公里续航”等抓人眼球的言论广为流传,备受瞩目。

与此同时,蔚来150kWh电池包下线,智己发布搭载“第一代光年固态电池”,广汽发布全固态电池技术,这一切令人感到下一代动力电池———固态电池开始从理想照进现实。

固态电池被誉为电池技术的“圣杯”,能量密度和循环次数数倍于传统的液态锂电池,困扰新能源汽车的续航焦虑和热失控难题或将彻底解决。

也正是因此,固态电池被视为动力电池的一场颠覆性革命。

相关报告指出,全固态电池中的电解质为固体,不易挥发或燃烧,且对温度稳定,不易分解,被认为是高度安全的;固态电解质具有更好的稳定性和机械性能,对锂枝晶具有更好的抑制作用,进而提高电池的安全性。

不过,业内人士指出,固态电池真正面向大众仍有诸多“鸿沟”,固态电池制备工艺还未完善,现有工艺中固态电池需要比传统锂离子电池多至少20%的锂,固态电池锂枝晶等问题还未解决。

TrendForce集邦咨询分析师曾佑鹏在接受21世纪经济报道记者采访时表示,“目前固态电池还未真正量产,市面上宣称已量产固态电池的主要指半固态电池,距离真正的全固态电池量产落地,背后还需要攻克较多的工程和技术难题。”

固态电池彷徨进击

在智己L6上市前,面对半固态还是固态电池的质疑时,智己有关人士明确表示,“使用固态电解质的就是固态电池”。

但是,检视其供应商清陶能源生产的所谓的固态电池却可以发现,该公司第一代、第二代产品中仍然有少量液体,5%~15%的液体含量表明,其与理想中的固态电池仍有差距。

有观点认为,半固态电池直面市场竞争,让其先行接受市场检验,有益于推进产业链,促进需求逐步上升,产业化进展有望提速。

与液态锂电池领域形成宁德时代和比亚迪两大绝对龙头不同,固态电池还尚未出现绝对龙头,广汽埃安、长安汽车、大众、丰田等多家车企均将触角伸向固态电池。

动力电池占到整车成本的40%以上,车企摆脱或减少对动力电池厂商依赖的意愿强烈,以至于在固态电池上“反客为主”,参与固态电池的产品研发,把控研发目标、进度目标,以期最终推动固态电池平价上车。

技术资料表明,固态电池的能量密度和循环次数秒杀液态锂电池。随着液态锂电池日益逼近350Wh/kg理论极限值,叠加锂电池无法消除热失控等安全隐患,业界加快开发固态电池的意愿强烈。

不过,头部公司对固态电池的态度却表现得相当克制,国内一家新能源主机厂有关人士向 21 世纪经济报道记者表示,“由于自身新能源汽车的电池装机量较大,头部车企对大规模固态电池上车不得不谨慎对待。”

实际上,电池巨头宁德时代(300750.SZ)至今未发布半固态和全固态电池,仅推出过一款凝聚态电池。

曾毓群曾在公开场合表示,“宁德时代已经在这方面投资了10年,固态电池只有在使用新型化学材料、负极电极使用纯锂金属的情况下才会有很大优势,要将这种电池推向市场还有很多困难。”

同样,尽管比亚迪(002594.SZ)早在2016年以前就开始投入固态电池的研发工作,但截至目前尚未公开推出与固态电池相关的产品。

此前,曾数度传出比亚迪固态电池完成装机测试的消息,但这一传闻随即被官方否认。

高成本掣肘

固态电池相较传统液态电池的技术颠覆性——有效解决电动汽车自燃起火和低温掉电两大核心痛点———令业界对此无限憧憬。

“从理论上看,固态电池由于完全取消了易燃的液态电解质,取而代之的是热稳定性高,不易燃的固体电解质,在本征安全上比锂离子电池更具优势。”曾佑鹏表示。

公开信息显示,磷酸铁锂电池的能量密度一般在100Wh/kg~180Wh/kg,三元锂电池的能量密度通常在150Wh/kg~250Wh/kg,固态电池则是其数倍的能量密度。

智己L6搭载的固态电池单体能力密度达到368Wh/kg,续航可以达到1000公里。

实验室披露的数据则更高,德国促进可持续物理技术研究会研发的固态钠硫电池能量密度达1000Wh/kg,太蓝新能源成功研发出720 Wh/kg的全固态锂金属原型电芯。

但是,固态电池要从理想照进现实必须克服一个巨大障碍,那就是固态电池技术的经济性问题。

与大多数处于培育期的产业一样,“目前固态电池最主要的缺点是固态电解质的成本仍然很高,这其中包括材料成本和制造成本。另外,固态电池的化学路径没有统一,这导致规模降本效应在当前还很难实现。”彭博新能源财经储能分析师史家琰在接受记者采访时如此表示。

据了解,智己L6搭载固态电池的版本整车售价达到33万元;蔚来ET7搭载150kwh电池包实际续航达到1044公里,该电池包正是蔚来与北京卫蓝新能源有限公司联合研发的半固态电池,造价接近30万元。

史家琰表示,仅从锂的角度考虑,以目前的制造工艺,固态电池比传统锂离子电池要多耗用至少20%的锂,这部分锂必然会带来成本的提高。

当前磷酸铁锂仍占据7成的市场份额,主机厂对电池成本将“铢铢校量”,半固态电池高昂成本,应该会让不少主机厂商对其搭载望而却步。

量产变数

量产难度过高是2024年固态电池产业化提速必须跨越的最大技术障碍。目前来看,固态电池的产业化需要在很长时间内将半固态电池作为过渡性方案。

实际上,即便于 2012年就已着手固态电池研发的丰田汽车,其商业化落地也是屡屡跳票,最新的时间表已经推迟到2028年。LG新能源则预计2030年实现全固态电池量产,三星SDI预期2027年投入量产。

曾佑鹏称,半固态电池已经出现产业化并装车应用,但全固态电池实现真正产业化预计短则需要2年,长则5-6年时间。

3月15日,在宁德时代的2023年报业绩解读会上,曾毓群便表示,固态电池距离变成商品还很远,技术路线上还有很多亟待克服的困难,如果能够变成商品路线,距离也很远,但也表示“最近加大了很多投入”。

固态电池有3条技术路线,即氧化物路线、硫化物路线及聚合物路线。

曾毓群表示,目前还有很多基本的科学问题待解决,如大多数固态电解质中的离子扩散速率与液态电解质存在数量级差异、固固界面难以始终保持良好接触等。

去年年底,“宁德时代固态电池可能在2027-2030年量产。”宁德时代首席科学家吴凯曾表示,一定程度上代表了这家电池巨头的态度。

吴凯称,现在遇到的问题主要有两方面。一是锂枝晶问题,锂枝晶生长是一个大问题,一短路就导致失效。宁德时代开发了界面增强技术,让锂枝晶相对比较均匀,不容易形成枝晶;二是固溶性的问题,因为都是固态,颗粒材料分离,密度就变大。宁德时代也开发了双相导通网络技术,提升固态界面的稳定性。

“目前一些研究表明,会引起电池火灾甚至爆炸的‘锂枝晶’仍然会在一定条件下在半固态甚至全固态电池中生成。固态电池自身的本征安全(或者主动安全)仍需要科学研究来进一步突破。”史家琰表示。

在此前的直播中,蔚来CEO李斌坦言自家半固态电池“象征意义大于实际意义”,但发展固态电池有其必要性,人类何时能够拿下固态电池这座“圣杯”尚待时日。中国科学院院士欧阳明高则指出,“全固态电池目前面临的挑战是巨大的,具有跨学科特性,技术门槛极高。”

不过,固态电解质等固态电池相关材料投产提速却是个积极信号。天赐材料(002709.SZ)最新回复投资者提问称,公司半固态电解质及氧化物与硫化物全固态电解质已进入小试到中试阶段;新宙邦也表示,已建立全体系固态电解质材料研发、测试及生产平台,并实现吨级量产和销售,客户反馈良好。

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