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告别锂电池至暗时刻固态电池是最优解?

时间:11-16 来源:最新资讯 访问次数:51

告别锂电池至暗时刻固态电池是最优解?

汽车综合10月13日报道 锂电池作为当下我们生活中不可缺少的能量源,小到手机腕表,大到汽车轮船,它都成为了一个必需且必要的存在。可是,自1970年代它被开始正式商业化运用后,这几十年来技术人员在它身上下的功夫往往都集中在了提高能量密度方面,但针对于其“火爆”的脾气似乎却没有很好的办法去解决。就在技术人员纷纷寻求解决方法来破解困局时,一款全新电池技术的诞生成为了解开这道难题的答案,那就是固态电池。 众所周知,纯电动车作为一个完美达到0排放的车型,其发展的市场逐渐占据上风,成为整个新能源汽车市场的中流砥柱。而随着技术发展的不断跃迁,其工况续航也从最早的不足500km,上升到了如今的超800km,可以说呈现出了逐年递增的状态。而这背后,自然与动力电池技术的发展有很大关系。 固态电池问世,解决锂电池弊端的最优解? 我们目前在市面上所见到的汽车动力电池都被称之为液态锂电池,这是因为这类电池在运作的过程中,其锂离子都会分布在电解液中,负责电池的充放电过程。而由于电池有正负极之分,所以会在电解液中插入一块隔膜,给锂离子电池分成正负两个室。 但所谓“成也萧何败也萧何”,隔膜虽然能分出正负两极,但是在充放电过程中,随着电流的不断加大,电解液中会慢慢形成一根根锂枝晶,这些锂枝晶在不断生长的过程中,会逐渐刺穿隔膜,造成短路的现象,从而引发热失控直至爆炸。   那么,该如何避免这个问题呢?技术人员发现,如果将液态的电解液转变为固态形式,这样就能很好地去解决锂枝晶生长造成热失控风险的问题,并且还能有效地提高电池的能量密度,这也就是我们所说的固态电池了。 作为固态电池,顾名思义,就是电解质采用固态材料的电池,与传统液态电池相比,固态电池的优势在于安全性高,因为固态电池电解质不易泄漏或燃烧,且不会产生气体,不易产生爆炸或火灾,并且它可以采用高电压和高比能量的电极材料,实现高能量密度的存储,但最主要的是,固态电池的电解质不易受到环境影响,可以实现长期稳定的电化学性能。 目前,按照电解质材料的选择,固态电池可以分为聚合物、氧化物、硫化物三种电解质体系。其中,聚合物电解质属于有机电解质,氧化物与硫化物属于无机陶瓷电解质;按照正负极材料的不同,固态电池还可以分为固态锂离子电池(沿用当前锂离子电池材料体系,如石墨+硅碳负极、三元正极等)和固态锂金属电池(以金属锂为负极)。 各国开展布局,自主企业崛起奋进 或许正因为固态电池特有的高安全高能量密度的特性,因此各国政府都纷纷出台政策来加以扶持推广,比如2021年美国就发布了《国家锂电发展蓝图2021-2030》,并宣布拨款2.1亿美元支持相关技术研究。而欧洲则推出了《电池2030规划》及《2030电池创新路线图》,并批准了欧洲固态电池投资专项计划,由欧盟多国共同出资32亿欧元用于发展固态电池。 来到国内,从2020年起,我国首次将固态电池列入行业重点发展对象并提出加快研发和产业化进程,并在2023年进一步提出加强固态电池标准体系研究,规划到2030年,我国固态电池行业出货量将达251.1GWh,届时市场空间可达200亿元。因此在这波红利下,可以说有不少电池行业新势力崛起,其中最突出的莫过于卫蓝新能源、太蓝新能源和清陶能源等。   首先看卫蓝新能源,其成立于2016年,是由中国工程院院士陈立泉、中科院物理所研究员李泓、原北汽新能源总工俞会根共同发起创办。目前在与蔚来汽车合作,将基于ET7车型,推出续航1000公里的半固态电池,能量密度达到了360Wh/kg,电池容量150度电。 而成立于2018年的太蓝新能源,创始人曾在美国、日本顶尖实验室从事固态电池研发。公司核心研发团队从2011年开始便专注于固态电池关键技术开发,率先实现半固态锂电池的量产化。并且凭借两大核心技术——固态电解质的材料和工艺创新,解决了氧化物路线所面临的锂离子电导率低、电极与电解质之间的固-固界面接触性差等问题,实现了产品性能的综合提升。不仅如此,处于上升期的太蓝新能源其已投入使用和正在建设的产能总计达到12.2GWh,并且其半固态动力电池样品已受到多家主机厂认可,可以说太蓝新能源的实力获得了时间的检验。   最后再看清陶能源,其由清华大学南策文院士团队创办,在产品方面,清陶能源已覆盖便携、特种环境、动力电池、轻量化电池等多个领域。目前公司第一代半固态电池,液体含量在5%-15%,能量密度为368Wh/kg,成本可以与液态锂电池相当;第二代产品液体含量降至5%以下,能量密度达到400-500Wh/kg,动力电池产品预计在2024年量产。 当然除了上述企业外,国内对于固态电池领域的企业还包括高能时代、恩力动力、马车动力等等,这里就不一一赘述了。不过综合来看,基于固态电池本身的技术优势,毫无疑问地讲到2030年前将会成为行业发展的重要关键时期。因此对于企业在研发水平、生产成本、产业化落地方面,都有了较高的考验。 突破固态电池壁垒 头部企业奋起发力 我们知道一款性能优秀的动力电池产品,如何将其最终地商业化运用才是能够证明该技术是否优秀的重中之重。而固态电池从实验室技术层面走到批量生产交付所遇到的制约目前体现在三个方面。首先,全固态电池从实验室技术层面走到批量生产交付,企业首先要掌握全固态电解质材料的研发生产能力以及导入工艺等关键技术;其次,因为全固态电解质与正负极电极之间的 "固-固接触"比较差,界面阻抗比较高,解决界面阻抗问题也是生产全固态电池的一个必要条件;最后关键的是所选的技术路线和材料体系是否能规模化量产,在产品性能和生产成本控制中寻找平衡,都是决定电池厂商能够顺利实现商业化的重要影响因素。   比如从研发技术层面来看,现阶段的固态电池技术所面临的最大挑战,就是如何解决界面阻抗较高的问题。这是因为固态电解质与电极材料之间是以固态状态存在联系的,因此电极与电解质之间的有效接触较弱,离子在固体物质中传输动力学低,也就会造成界面阻抗过大。 半固态电池是液态锂电池向全固态电池过渡的阶段,半固态电池实现量产后能够为全固态电池产业链布局打下基础。  不过伴随着技术的不断迭代,国内头部电池企业纷纷布局,在面对固态电池商业化所面临的发展壁垒方面,已有了不小的突破。比如太蓝新能源,一方面通过材料、工艺的创新降低成本,另一方面,则通过半固态、准固态和全固态电池“三步走”的战略,以实现半固态电池快速产业化的目标。目前,太蓝新能源已经量产第一代半固态电池产品和传统液态电池相比,液态电解质含量实现减半;独有的固态电解质和极片一体化复合技术 从材料本质上遏制危险源头问题,有助电芯实现本质安全。 另外关于商业化方面,目前太蓝新能源重庆工厂80%以上的生产工艺沿用现有液态锂电池生产技术,因此成熟的产线和技术路线都能够帮助其更好地达成产品落地和产业化。根据透露,目前太蓝新能源北京研发基地已开始全固态电池试产线的准备工作,预计很快实现全固态电池的小批量交付。   最后在产能方面,太蓝新能源现投入使用和正在建设的产能为5.2GWh,总储备产能达12.2GWh,分别为重庆两江新区的制造基地一期0.2GWh(小型半固态动力电池生产制造基地一期),制造基地二期2GWh(车规级半固态动力电池生产制造基地二期),以及在建的安徽淮南工厂一期3GWh,同时还有7GWh二期的规划产能。其中,重庆二期工厂预计明年年中投产,届时可批量出货至汽车主机厂。  所以可以肯定的是,固态电池的发展对于我国乃至全球的锂电池产业有着至关重要的作用,它可以看作一个分水岭,将传统对于锂电池商业产品所带来的弊端消磨殆尽,让清洁能源真正地成为我们生活的一部分,无论是汽车产业,还是生活家电,从长远看,固态电池将会提升我们整体物质生活质量的关键,而我们也相信这个产业技术也将不断进步,并走向真正的大规模商业化发展,我们拭目以待。

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