顛覆續(xù)航性能， 解析固態(tài)電池前景
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 11:12
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近年來，不少汽車廠商都透露過基于固態(tài)電池打造電動汽車的計劃。例如“Fisker申請固態(tài)鋰電池專利，最高續(xù)航800km，充電1分鐘”、“大眾計劃研發(fā)續(xù)航1000km固態(tài)電池”等新聞屢見不鮮。這背后的“黑科技”——固態(tài)電池到底有什么能耐？離實際應(yīng)用還有多遠？我們就來具體聊一下固態(tài)電池的現(xiàn)狀和前景。
30秒讀懂全文：
●根據(jù)電解質(zhì)的不同可分為液態(tài)、半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)、全固態(tài)四大類。
●現(xiàn)有體系的鋰電池能量密度很難突破300Wh/kg，基于安全和能量密度上的優(yōu)勢，固態(tài)電池已成為未來鋰電池發(fā)展的必經(jīng)之路。
●準(zhǔn)固態(tài)電池將以聚合物復(fù)合電解質(zhì)為主，薄膜固態(tài)電池以氧化物復(fù)合電解質(zhì)為主，全固態(tài)電池以硫化物復(fù)合電解質(zhì)為主。
●目前快充型電池主要在客車領(lǐng)域應(yīng)用較多，未來快充型動力電池的消費結(jié)構(gòu)將會向用車、專用物流車偏移。
一、固態(tài)電池有哪些優(yōu)點
目前，動力電池全球化競爭日益激烈，雖然中國企業(yè)在本輪競爭中占據(jù)了市場規(guī)模優(yōu)勢，但歐美、日韓等企業(yè)已經(jīng)在為下一階段做布局，是潛在的強大競爭者。有不少專家呼吁建議，應(yīng)該關(guān)注固體電池發(fā)展的問題。盡管目前固態(tài)電池還多處于試驗階段，離走向產(chǎn)業(yè)化還有一定時間。但為了搶占未來發(fā)展的制高點，各企業(yè)對固態(tài)電池的研發(fā)已快馬加鞭，市場需求或推動固態(tài)電池量產(chǎn)提前。
按照《中國制造2025》確定的技術(shù)目標(biāo)，2020年鋰電池能量密度到300Wh/kg，2025年能量密度達到400Wh/kg，2030年能量密度達到500Wh/kg。但是基于高鎳三元+硅碳負(fù)極材料，現(xiàn)有體系的鋰電池的能量密度很難突破300Wh/kg。而固態(tài)鋰電池的能量密度大約為傳統(tǒng)鋰電池的2.5—3倍，且杜絕了電池破裂或高溫等意外帶來的燃燒隱患。
全固態(tài)鋰電池具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。
電解質(zhì)材料是全固態(tài)鋰電池技術(shù)的核心，目前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要集中在三大類材料：聚合物、氧化物和硫化物。聚合物高溫性能好，已經(jīng)有商業(yè)化的應(yīng)用案例；氧化物循環(huán)性能良好，適用于薄膜柔性結(jié)構(gòu)；硫化物電導(dǎo)率最高，是未來主要方向。
既然固態(tài)電池有這么多優(yōu)點，為什么沒有大力推廣呢？這是因為固態(tài)電解質(zhì)具有高的電阻，在功率密度方面還存在一些待解決的問題，需要從固態(tài)電解質(zhì)、正負(fù)極材料上著手。電導(dǎo)率、電池倍率、電池制備效率、成本控制方面都存在不小的挑戰(zhàn)，一旦這些問題能夠有效解決，必將在未來掀起一場新的電池革命。
總體來看固態(tài)電池的發(fā)展，電解質(zhì)可能遵循從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)的路徑發(fā)展，最后到全固態(tài)。筆者認(rèn)為，2020年前采用高鎳正極+準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負(fù)極實現(xiàn)300Wh/Kg，2025年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負(fù)極電池實現(xiàn)400Wh/Kg，2030年前燃料/鋰硫/空氣電池實現(xiàn)500 Wh/Kg。
二、全球產(chǎn)業(yè)加速布局
目前，全球范圍內(nèi)約有 20 多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高?？蒲性核铝τ诠虘B(tài)電池技術(shù)。2017年，關(guān)于固態(tài)鋰電池分別有1198篇文獻與117篇專利。其中1096篇文獻集中在金屬鋰負(fù)極、固態(tài)電解質(zhì)，以及固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極界面等基礎(chǔ)問題研究，其他有102篇文獻探討了固態(tài)鋰電池的組裝及相關(guān)測試結(jié)果，以硫系和氧化物電解質(zhì)的固態(tài)鋰電池居多。文獻方面，中國發(fā)表的數(shù)量占據(jù)第一位，國際發(fā)明專利方面則是日本占據(jù)一半以上。
●法國Bollore
法國博洛雷集團（Bolloré）從2011年就開始嘗試固態(tài)電池在電動車領(lǐng)域的商業(yè)化，其自主研發(fā)的電動汽車Bluecar搭載了子公司Batscap生產(chǎn)的30kWh金屬鋰聚合物電池，續(xù)航為120km。大約有2900輛Bluecar投放到了巴黎汽車共享服務(wù)項目Autolib，這也是國際上第一個采用固態(tài)鋰電池的電動汽車案例。
『Bluecar在巴黎Autolib汽車共享服務(wù)亭充電』
BatScap選擇全固態(tài)中的聚合物技術(shù)路線，正極材料采用LFP，負(fù)極材料采用金屬鋰，電解質(zhì)采用聚環(huán)氧乙烷（PEO），但其Pack能量密度僅為100Wh/kg，且工作溫度要求60~80℃，必須持續(xù)將電池加熱至60°C以上來維持電池內(nèi)部的導(dǎo)電能力。
●德國博世+美國SEEO
成立于2007年的SEEO是美國勞倫斯伯克利國家實驗室唯一授權(quán)擁有核心專利的電池公司，2015年博世（BOSCH）收購美國SEEO，并與日本GS YUASA（湯淺）公司、三菱重工共同建立了新工廠，主攻固態(tài)陽極鋰離子電池。當(dāng)時SEEO開發(fā)的固態(tài)電池就已實現(xiàn)350Wh/kg的能量密度，約是同等體積鋰電池的兩倍能量。但在2018年初，由于博世的戰(zhàn)略變化，不再自行生產(chǎn)電池，也就宣告放棄對SEEO的投入。
●英國戴森+美國Sakit3
美國Sakti3創(chuàng)辦于2008年，號稱開發(fā)出了能量密度達到1000Wh/kg的固態(tài)電池，并稱未來實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)之后，成本只有當(dāng)前鋰電池的20%，可以把搭載其電池的電動汽車成本控制在2.5萬美元。2015年Sakti3被戴森以9000萬美金的價格全資收購，之后戴森宣布投資14億美元建造電池廠，發(fā)展固態(tài)鋰電池技術(shù)。
戴森計劃在2020年量產(chǎn)首款電動車產(chǎn)品，電池組為一種可拆卸的盒式固態(tài)電池組，安裝在傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機艙的位置。
●日本38家機構(gòu)聯(lián)合研發(fā)全固態(tài)鋰電池
2018年6月，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省與日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）宣布啟動新一代高效電池“全固態(tài)電池”核心技術(shù)的開發(fā)。該項目預(yù)計總投資100億日元（約合5.8億元人民幣），豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家汽車、電池和材料企業(yè)，以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等15家學(xué)術(shù)機構(gòu)將共同參與研究，計劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù)，到2030年前后將每千瓦時電池組的成本降至鋰電池的三分之一左右，將快速充電時間也縮短至三分之一
