导读:
动力电池是新能源汽车的心脏,动力电池性能对整车性能起着决定性的作用。http://www.hibor.com.cn【慧博投研资讯】在当前锂离子电池体系下,依靠高镍三元正极、硅碳负极和电解液的组合将在 3-5 年内达到性能极限(能量密度上限 350Wh/Kg),但仍无法彻底满足动力电池对安全性、能量密度与成本的要求。http://www.hibor.com.cn(慧博投研资讯)而由于固态电池在安全性与能量密度方面具备更大潜力,近年来受到了学术界与产业界的广泛关注。本文将对固态电池的原理、优点、研发现状、前景等方面进行系统梳理,揭示重视固态电池的必要性。
摘要:
固态锂电池即电解质采用固态材料的锂二次电池。它与传统锂离子电池的区别在于以固态电解质替代了传统锂离子电池的电解液、电解质盐、隔膜。
固态锂电池具有两方面潜在优势。一、安全性高。采用有机电解液的传统锂离子电池,在过度充电、内部短路等异常情况下容易导致电解液发热,有自燃甚至爆炸的危险。而全固态锂电池基于固态材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题;二、能量密度高。固态电解质无需隔膜与电解液,可以节约近 40%的体积和 25%的质量。如果配套新的正负极材料(锂金属负极)可以使得电化学窗口达到 5V 以上,有望将能量密度提高至 500Wh/Kg。
当前新能源汽车行业主管部门对动力电池性能提出了非常高的要求。根据《汽车产业中长期发展规划》和《节能与新能源汽车技术路线图》的指引,动力电池系统能量密度需要在 2025-2030 年达到 350Wh/Kg(对应单体能量密度 500Wh/Kg)以满足普通电动汽车的续航里程要求。因此,固态电池也被广泛认为是下一代动力电池技术。
过去十年内固态电池领域专利数量增长超过 10 倍,固态电池正逐渐受到业界重视。尤其是整车企业,开始通过内部研发、投资入股初创企业或合作研发等多种形式加快布局整合。其中处于固态电池研发前沿的主要有两家代表企业——汽车巨头丰田和初创企业 Solid Energy。这两家公司的固态电池产品能量密度已经显著优于当前的锂离子电池,并已经有相关产品或明确的量产计划。丰田在固态电池领域拥有大量专利(252件,占比 13%,全球第一),同时计划在 2030 年前向电池领域投入研发资金 130 亿美元。目前丰田基于硫化物电解质、石墨类负极的锂离子电池路线推进固态电池产业化,实验室产品能量密度达到 400Wh/Kg,预计2022 年推出搭载全固态电池的电动车型,2025 年实现量产。
Solid Energy 由麻省理工学院的技术人员创办,目前获得了通用汽车、上汽、淡马锡等机构的投资。 与丰田不同,Solid Energy 目前基于半固态电解质和锂金属负极组合的路线,其产品为锂金属电池而非锂离子电池。采用锂金属负极理论上可以实现更高的能量密度,但如果组合液态电解质容易导致锂枝晶刺穿隔膜导致短路引发安全问题,组合全固态电解质则不易实现较高的离子导电率。Solid Energy 采用折中的半固态电解质路线,2017 年从航空航天领域入手推出容量为 3Ah 的 Hermes?电池,质量和体积能量密度分别达到 450Wh/Kg 和 1200Wh/L,目前以每月5000 个电池的速度量产,并且通过了第三方的检测。其面向电动汽车领域的 Apollo?电池预计将于 2020 年推出。
中国在固态电池领域的研发目前与韩国、美国同处于第二梯队(日本为第一梯队),而且主要以中科院和高校等科研机构为主。国内目前有三个团队在固态电池领域研发较为领先。中科院青岛能源所储能院崔光磊团队目前已研制出全海深高能量密度高安全固态锂电池动力系统,能量密度达 300Wh/Kg,并且应用于在马里亚纳海沟完成 1 万米的深海高压环境。中科院宁波材料所许晓雄团队已经开发出能量密度达到 260Wh/Kg 的10Ah 固态单体电池,目前与赣锋锂业合作推进产业化。中科院物理所李泓团队开发出能量密度达 310-390Wh/Kg的 10Ah 软包电芯,目前正与卫蓝新能源合作建设中试线。
不过也并非所有车企都在发力固态电池。作为电动汽车先驱,特斯拉目前还没有在固态电池方面拥有一件专利,特斯拉在电池领域拥有的 244件专利主要集中在电池系统、电池包和充电领域,而在材料方面专利较少。特斯拉选择的技术路线是以 NCA 为正极材料、硅碳负极、电解液为组合,通过大规模量产来把成本降低至$100/KWh,未来通过改良正极材料(如富锂锰基等)进一步达到 350-400Wh/Kg 的能量密度。对于固态电池技术,特斯拉 CEO 马斯克认为“有一定前景”,但是距离技术成熟还需要时间,目前也不足以“改变特斯拉的战略”。
综合来看,固态电池具备成为下一代动力电池技术的潜力,但是目前还没有成熟的产品能够在能量密度、安全性和循环寿命三方面同时显著优于当前的锂离子电池。根据丰田等前沿企业的研发情况和计划,我们预计固态电池技术真正成熟可能需要等到 2025 年前后,真正具备量产能力可能需要等到 2030 年前后。
风险提示:政策推动不及预期等