重量比現(xiàn)有鋰
電池減輕近一半,續(xù)駛里程增加80%,成本降40%,而且任何情況下不爆燃……能解決安全、續(xù)駛等多重焦慮的全固態(tài)
電池,正在從幕后走向前臺(tái),上車之旅進(jìn)入倒計(jì)時(shí)。
近日,上汽集團(tuán)宣布與清陶(昆山)能源發(fā)展股份有限公司聯(lián)合投資10億元設(shè)立合資企業(yè),致力于打造超高性價(jià)比的新一代固態(tài)電池。按照規(guī)劃,第二代固態(tài)電池2024年量產(chǎn)上車,液體含量將降至5%以下;2027年推出全固態(tài)電池,實(shí)現(xiàn)“10萬(wàn)輛級(jí)”的大規(guī)模量產(chǎn)裝車。同期,恩力動(dòng)力與軟銀公司也發(fā)布了聯(lián)合開發(fā)的硫化物全固態(tài)鋰金屬電池,實(shí)測(cè)能量密度達(dá)到300Wh/kg。
近年來,固態(tài)電池領(lǐng)域吸引了豐田、大眾、寶馬、奔馳、比亞迪、廣汽、東風(fēng)、蔚來、高合、賽力斯等車企紛紛涌入。那么,全固態(tài)電池如今處于什么發(fā)展階段?距離上車還有多遠(yuǎn)?還有哪些瓶頸有待突破?我國(guó)固態(tài)電池的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力究竟如何?這一系列問題都在隨著固態(tài)電池上車的臨近而逐漸清晰。
01
未來10年是研發(fā)應(yīng)用關(guān)鍵期
“固態(tài)電池具備溫度適應(yīng)范圍廣、適合快充、高能量密度、高安全性等優(yōu)質(zhì)特性,可通過最嚴(yán)苛的單電芯針刺實(shí)驗(yàn),整包可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)零熱失控,即單顆電芯熱失控后實(shí)現(xiàn)整包永遠(yuǎn)不起火、不爆炸。”清陶能源總經(jīng)理李崢向記者介紹,2022年,上汽集團(tuán)與清陶能源成立了固態(tài)電池聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,開發(fā)的第一代全固態(tài)電池已完成裝車試驗(yàn),在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)零熱失控前提下,單體能量密度達(dá)到368Wh/kg,相比磷酸鐵鋰電池能量密度提升100%以上,測(cè)試車輛最大續(xù)駛里程達(dá)到1083公里,充電10分鐘可增加續(xù)駛里程400公里。
通常情況下,一款電池從開發(fā)到裝車應(yīng)用,是多層面的創(chuàng)新和集成。從整車角度看,電池材料、電芯、工藝制造、系統(tǒng)集成開發(fā)、軟件控制等都需要同步開發(fā)。“清陶能源的長(zhǎng)板在于材料開發(fā)和電芯設(shè)計(jì)等方面,車企的強(qiáng)項(xiàng)則在系統(tǒng)級(jí)開發(fā)、軟件開發(fā)、整車項(xiàng)目管理等方面,雙方強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,才能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。”李崢認(rèn)為。
對(duì)此,上汽通用五菱汽車股份有限公司智能平臺(tái)首席技術(shù)官邵杰深有感觸。他說,正是由于固態(tài)電池特別是全固態(tài)電池?fù)碛兄T多難以替代的優(yōu)點(diǎn),在目前固態(tài)電池全球競(jìng)爭(zhēng)日益加劇的態(tài)勢(shì)下,國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)到了不得不加速開發(fā)的階段,稱其為“倒計(jì)時(shí)”毫不為過。目前,上汽通用五菱在廣西建立了固態(tài)電池實(shí)驗(yàn)室,在啟動(dòng)固態(tài)電池研發(fā)項(xiàng)目的同時(shí),也將向全社會(huì)開放研發(fā)資源,推動(dòng)全固態(tài)電池加速上車應(yīng)用。
在全固態(tài)電池上車倒計(jì)時(shí)之際,越來越多的車企已經(jīng)走上投資、合作開發(fā)固態(tài)電池的新賽道。2022年就有報(bào)道稱,小鵬汽車已經(jīng)投資50億元成立了科技公司主攻固態(tài)電池,準(zhǔn)備在2027年推出量產(chǎn)上車產(chǎn)品。盡管小鵬汽車方面對(duì)此既不承認(rèn)也不否認(rèn),但已經(jīng)多次隱晦作出了回應(yīng)。“我們非常期待固態(tài)電池。”小鵬匯天動(dòng)力總成中心總經(jīng)理侯聰說。
“固態(tài)電池中,有目前已開始上車應(yīng)用的半固態(tài)電池,以及行業(yè)都在翹首以盼的全固態(tài)電池。”華東汽車新材料技術(shù)研究院研究員林澍文告訴記者,相對(duì)而言,兩者之間的區(qū)分是看電解質(zhì)采用的固液混合形態(tài),通常以液體電解液質(zhì)量占比5%至10%左右稱其為半固態(tài)電池,這是目前在用的液態(tài)鋰電池與全固態(tài)電池的折中方案,也是較為容易量產(chǎn)的過渡技術(shù)路線;而使用純固態(tài)電解質(zhì)則稱為全固態(tài)電池。目前,國(guó)內(nèi)很多動(dòng)力電池、整車等相關(guān)企業(yè)都在獨(dú)立或聯(lián)合開發(fā)全固態(tài)電池,由此,全固態(tài)電池的上車已開啟倒計(jì)時(shí)。
“隨著技術(shù)開發(fā)的推進(jìn),全固態(tài)電池有望在2025年到2030年前后形成上車應(yīng)用的高峰。”邵杰所言,得到行業(yè)多數(shù)人士的認(rèn)同。多數(shù)受訪者認(rèn)為,未來10年是全固態(tài)電池研發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵機(jī)遇期。
02
瓶頸猶存 阻礙規(guī);l(fā)展
盡管全固態(tài)電池?fù)碛兄T多優(yōu)勢(shì),是在用鋰電池的最佳替代方案之一,但現(xiàn)實(shí)中依然存在一些技術(shù)瓶頸,短期內(nèi)能否形成規(guī);面臨不少考驗(yàn)。
“隨著技術(shù)演進(jìn),全固態(tài)電池正在加速走向量產(chǎn)應(yīng)用,但有些基礎(chǔ)技術(shù)、生產(chǎn)工藝等問題仍未解決,導(dǎo)致現(xiàn)階段成本較高,短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)規(guī);瘧(yīng)用。”林澍文具體分析稱,全固態(tài)電池的正極、負(fù)極、電解質(zhì)化學(xué)組成及其物理、力學(xué)性質(zhì)尚需改進(jìn),材料的兼容性、界面穩(wěn)定性有待提升,電池整體的安全管理策略等技術(shù)尚不夠成熟,固體電解質(zhì)導(dǎo)電率差,采用鋰金屬易發(fā)生枝晶生長(zhǎng)存在安全隱患等問題,這些都是亟待突破的技術(shù)瓶頸。另外,全固態(tài)電池對(duì)生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制、材料性能、工程化應(yīng)用等也有更為嚴(yán)格的要求,短期內(nèi)很難批量生產(chǎn),但不排除在一些特定區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)小批量示范應(yīng)用。
“除了技術(shù)問題,與其密切相關(guān)的成本問題也是全固態(tài)電池規(guī);瘧(yīng)用的一道坎兒。”西北工業(yè)大學(xué)新能源應(yīng)用技術(shù)研究中心研究員于冬生向記者表示,現(xiàn)階段全固態(tài)電池較在用的液態(tài)鋰電池成本高出30%以上。成本較高的原因,包括固態(tài)電解質(zhì)目前難以輕薄化,使用的部分稀有金屬原材料價(jià)格較高,疊加為高能量密度使用的高活性正負(fù)極材料尚未成熟,導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)和正負(fù)極成本仍然較高。
在全固態(tài)電池技術(shù)攻堅(jiān)克難之路上,企業(yè)也正在加速前行。“作為整車企業(yè),非常希望能及時(shí)抓住固態(tài)電池的機(jī)遇期。”邵杰表示,從技術(shù)研發(fā)層面看,在突破全固態(tài)電池技術(shù)瓶頸上,要重視發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合體的作用,采用一些先進(jìn)技術(shù)來破解難題。例如在材料及工藝篩選方面,可以采用大數(shù)據(jù)、人工智能、仿真等技術(shù)方法,從算法到迭代及提高效率等方面,盡快篩選出更適用更成熟的材料體系、工藝體系等。從產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)層面看,車企也希望從貼近用戶使用場(chǎng)景角度出發(fā),去選用全固態(tài)電池。因此,無論是現(xiàn)實(shí)需求還是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),都在倒逼全固態(tài)電池研發(fā)加快從樣品測(cè)試到整車應(yīng)用的速度,加快探索全固態(tài)電池量產(chǎn)應(yīng)用的路徑。
03
固態(tài)電池國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)仍焦灼
固態(tài)電池作為目前行業(yè)最具潛力的新賽道之一,國(guó)際方面的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。
從歐洲到日本,都在加速開發(fā)全固態(tài)電池。豐田、本田、日產(chǎn)等日系車企都已公布了全固態(tài)電池上車時(shí)間表。豐田汽車日前宣布將在2026年推出全固態(tài)電池,2027年將在雷克薩斯新
電動(dòng)車型上搭載全固態(tài)電池。
“在技術(shù)路徑選擇上,日本企業(yè)基本選擇一步到位開發(fā)全固態(tài)電池方案,而中國(guó)企業(yè)優(yōu)先選擇相對(duì)務(wù)實(shí)的半固態(tài)電池路徑,逐步過渡到全固態(tài)。”于冬生表示,近來,國(guó)內(nèi)外固態(tài)電池的技術(shù)研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)呈現(xiàn)暗流涌動(dòng)、不斷加速之勢(shì)。盡管半固態(tài)電池只是一種過渡技術(shù)路線,但在國(guó)內(nèi)已經(jīng)迎來量產(chǎn)裝車階段。
“全球范圍來看,目前固態(tài)電池的開發(fā)主要有三種技術(shù)路線。”林澍文表示,以電解質(zhì)材料劃分,日韓正開發(fā)硫化物全固態(tài)電池,主要特點(diǎn)是室溫電導(dǎo)率高,延展性好,但其中鋰的穩(wěn)定性較差,現(xiàn)處于課題研究階段。歐洲開發(fā)的是聚合物固態(tài)電池,其主要特點(diǎn)是柔韌性好,易加工,目前已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn),但其離子導(dǎo)電率低,有待提升。而中國(guó)大多選擇氧化物固態(tài)電池,主要特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高,熱穩(wěn)定性好,是目前綜合性能較為優(yōu)異的固態(tài)電池,其研發(fā)成本和難度較低,缺點(diǎn)是界面阻抗問題有待解決。美國(guó)則主要是以新創(chuàng)科技公司研發(fā)為主,不同技術(shù)路線均有涉及。
“由此可見,無論選擇哪種技術(shù)路線,都有相應(yīng)的技術(shù)與成本難點(diǎn)有待克服。”林澍文認(rèn)為,要在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的量產(chǎn)確有難度,而選擇從半固態(tài)到全固態(tài)的漸進(jìn)式技術(shù)路線則較為現(xiàn)實(shí)可行。近年來,日本、歐洲在全固態(tài)電池研究上領(lǐng)先,中國(guó)在半固態(tài)電池開發(fā)上世界領(lǐng)先。
“從固態(tài)電池行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)看,日本是用舉國(guó)體制發(fā)展全固態(tài)電池,起步較早,論證嚴(yán)謹(jǐn);中國(guó)的優(yōu)勢(shì)則是上車量產(chǎn)快,迭代快,能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)一代、研發(fā)一代、儲(chǔ)備一代。”李崢認(rèn)為,全固態(tài)電池新技術(shù)要真正被市場(chǎng)接受,不僅是技術(shù)問題,還有成本能否被市場(chǎng)接受的問題。因此,隨著全固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展,也要解決商業(yè)化推廣中的成本和效益問題。
“隨著多種技術(shù)路線的推進(jìn),一系列技術(shù)瓶頸不斷突破,全固態(tài)電池規(guī);瘧(yīng)用的時(shí)間正加速到來。”于冬生認(rèn)為,技術(shù)創(chuàng)新正在成為全固態(tài)電池領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn),各國(guó)都在大力進(jìn)行固態(tài)電池專利布局,國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)在持續(xù)推進(jìn)開發(fā)應(yīng)用的同時(shí),應(yīng)更加重視專利布局,才能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中擁有更多話語(yǔ)權(quán),為全固態(tài)電池的上車應(yīng)用及產(chǎn)品走向全球夯實(shí)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)。
(責(zé)任編輯:子蕊)