當(dāng)續(xù)航 1000KM 成為硬指標(biāo),鋰電池技術(shù)何去何從?

時(shí)間:2021-03-08 17:21來源:雷鋒網(wǎng)新智駕 作者:大壯旅
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       造車熱背后,電池革命也時(shí)常被人所提及。遺憾的是,多年過去,好像誰的命也沒被革成。
 
       去年10月,一家名叫QuantumScape的美國固態(tài)電池新創(chuàng)公司宣稱:“我們的新型電池不但能讓電動車續(xù)航翻倍、15分鐘完成充電工作,甚至還比現(xiàn)有的鋰電池更為安全。”
 
       三個(gè)月后,大洋彼岸的中國,蔚來則在NIODay上發(fā)布了一款續(xù)航超1000km的車型。他們號稱會配備固態(tài)電池技術(shù),2022年第四季度正式開賣。
 
       或許,QuantumScape和蔚來真可憑借固態(tài)電池帶來一次真正的技術(shù)革命,但在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)之前,尚需瓦解鋰電池建立的幾十年的統(tǒng)治地位。
 
1
 
       電池革命為何遲遲不來?鋰電池為何能夠統(tǒng)治業(yè)界超三十年卻屹立不倒?
 
       答案比較簡單:打造新型電池的化學(xué)方程式尚未出現(xiàn)。
 
      “自18 世紀(jì)以來,電池的基本概念從未發(fā)生改變。”悉尼大學(xué)化學(xué)家、Gelion Technology的創(chuàng)始主席 Thomas Maschmeyer教授說道。
 
       所有電池的主要構(gòu)件無外乎三個(gè):正極、負(fù)極、電解質(zhì)(起催化劑作用)。
 
       在上述三大元素不可改變的大前提下,如果業(yè)界想要實(shí)現(xiàn)革命性的技術(shù)突破,就必須對電池的化學(xué)成分做出調(diào)整。
 
       過去幾十年來,電池研究者們在元素周期表上可沒少下功夫,目的則是能夠找到代替鋰電池的新型化合物。
 
      主要路線分為兩種:
 
       一、研發(fā)超越鋰電池能量密度的新型電池,比如固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。二、在已有電池中添加更多元素,如鈉離子、鋁離子和鎂離子電池。
 
       不過,改變電池化學(xué)成分說起來容易做起來難,解決一個(gè)問題的同時(shí)可能會帶來多個(gè)新問題。
 
       最主要的原因是電池在化學(xué)反應(yīng)中會產(chǎn)生能量。
 
       以常見的鋰離子電池為例,它們會用到石墨負(fù)極和金屬氧化物正極(通常是鈷、鎳、錳、鐵或鋁),而電解液則是有機(jī)溶劑中的鋰鹽。
 
       當(dāng)鋰離子電池通電時(shí),負(fù)極與電解液中的鋰發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生電子積聚在負(fù)極周圍,正極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后就會吸引這些電子,產(chǎn)生電子流。
       這一過程被稱為還原—氧化過程。(也就是化學(xué)課上學(xué)的“氧化還原”反應(yīng)。)
 
       于一次性電池(比如遙控器里的AA電池)來說,電子流只需朝著一個(gè)方向工作。
 
       但在充電電池上,電子流的運(yùn)動過程就變成可逆的了。也就是說,在正極和負(fù)極之間穿梭的電子必須買張“往返票”,而且不會消耗或破壞活性化學(xué)物質(zhì)。
 
       鋰離子電池之上,氧化還原反應(yīng)簡直是教科書級別的。在電池材料開始退化之前,電子可以雙向移動,實(shí)現(xiàn)數(shù)千次循環(huán)。
 
       可惜的是,這世上萬事皆有缺憾:充放電循環(huán)會產(chǎn)生微小的金屬晶須(被稱為樹突),這些晶須會穿過電解液,縮短電池壽命。
 
       在極少數(shù)情況下,鋰離子電池還會起火(想想當(dāng)年出現(xiàn)燃損事故的 Note 7)。
 
       那么,如果換種成分,將鋰換成鎂呢?后者更容易開采,而且能夠達(dá)到類似的能量密度。
 
       事實(shí)證明:鎂離子電池理論沒問題,實(shí)踐一團(tuán)糟。
       對鋰有效的化學(xué)反應(yīng)對鎂不起作用,而且對鈉、鋁或任何其他體系都不起作用。在鋰離子電池中,鋰可以通過嵌入的過程擴(kuò)散并穩(wěn)定在石墨負(fù)極內(nèi),但鎂不行。
 
       它不但無法穩(wěn)定在負(fù)極之內(nèi),鎂還會在負(fù)極發(fā)生反應(yīng),形成固體電解質(zhì)界面膜(SEI),進(jìn)一步阻礙鎂離子在電極和電解液之間的擴(kuò)散。一旦這層界面膜出現(xiàn),電池性能會迅速下降。
 
       鎂元素遭遇的問題并不罕見,不少要將鋰元素打下神壇的化學(xué)成分都能實(shí)現(xiàn)充放電功能,但做得都不夠完美。
 
       顯然,擴(kuò)散能力弱意味著鎂離子電池?zé)o法儲存大量能量。鋰空氣電池雖然實(shí)現(xiàn)了高能量密度,但在穩(wěn)定性方面存在問題。
 
       至于鈉,雖然它是地球上儲量最為豐富的化學(xué)元素,但鈉離子電池能量密度很低,根本無法用于消費(fèi)電子產(chǎn)品或電動車。
 
       這么多鋰電池的變體中,唯一投入市場的恐怕只有鋰硫電池了。
 
       這項(xiàng)技術(shù)被人們所期待的最主要原因是:它能將電池能量密度提到傳統(tǒng)鋰離子電池的5倍。
 
       不過,鋰硫電池也不完美,因?yàn)殇嚭土驎l(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生多硫化鋰。這種物質(zhì)的溶解度很高,能擴(kuò)散到電解液中并穿過分隔正極和負(fù)極的隔膜。
       多硫化鋰可不是人們想要的氧化還原反應(yīng),因?yàn)樗鼤采w負(fù)極并使其鈍化,隨后就是容量的迅速降低,直至電池最終罷工。
 
       這個(gè)過程叫做多硫化物重組,二十多年來,它讓研究人員們傷透了腦筋,盡管做了大量改善工作,但仍然難以找到商業(yè)化落地的變通方法。
 
2
 
       當(dāng)所有研究人員都一籌莫展、難尋進(jìn)步通道時(shí),固態(tài)電池登場了。
 
       何為固態(tài)電池?它拋棄了傳統(tǒng)電解液,轉(zhuǎn)而使用固態(tài)電解質(zhì),而新的電解質(zhì)則是固態(tài)電池的核心。
 
       除了能夠做好自己的本職工作,固態(tài)電解質(zhì)還能一并扮演隔膜的角色。
 
       固態(tài)電池正極材料選擇上,高電壓型電極材料就可勝任;至于負(fù)極,則可用到鋰金屬,以實(shí)現(xiàn)能量密度的大飛躍。
 
       固態(tài)電池事實(shí)上并非新鮮事物,其研發(fā)進(jìn)程開始于上世紀(jì)五十年代,最近幾年因?yàn)殡姵馗锩枰黄茸呱锨芭_。
 
       相比于傳統(tǒng)鋰電池,固態(tài)電池有幾大優(yōu)勢:
 
       一、安全性更好;二、體型更加輕;三、能量密度更高;四、生產(chǎn)制造難度更低。
      通常,動力電池系統(tǒng)需要先生產(chǎn)單體,單體封裝完成后將單體之間進(jìn)行串聯(lián)組裝。若先在單體內(nèi)部進(jìn)行串聯(lián),則會導(dǎo)致正負(fù)極短路與自放電。
 
      固態(tài)電池電芯內(nèi)部不含液體,可實(shí)現(xiàn)先串并聯(lián)后組裝,減少了組裝殼體用料,封裝設(shè)計(jì)得以大幅簡化。
 
      從理論上來講,量產(chǎn)電動車中最強(qiáng)的21700NCA三元鋰電池電芯(特斯拉使用),其能量密度也只有251Wh/kg。
 
      業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,300Wh/kg將是三元鋰電池難以跨越的鴻溝。
      至于固態(tài)電池,其能量密度有望達(dá)到400-1000WH/kg,這可大大緩解電動車用戶的里程焦慮。
 
      此外,它的應(yīng)用還能拉低電池組甚至整車的成本。
 
      由于固態(tài)電池已經(jīng)沒有燃燒或爆炸之憂,BMS 等溫控組件(這也是特斯拉的強(qiáng)項(xiàng))可以徹底退役,無隔膜設(shè)計(jì)還能進(jìn)一步為電池系統(tǒng)減負(fù)。
 
      利好無數(shù),但固態(tài)電池想從實(shí)驗(yàn)室量產(chǎn)上車可不簡單。
 
      眼下,固態(tài)電池仍存不少問題,譬如離子電導(dǎo)率低、高界面阻抗等。
 
      此外,即使解決了材料問題,電池標(biāo)準(zhǔn)化制造等問題也會凸顯出來。
 
      當(dāng)年的鋰離子技術(shù)比較幸運(yùn),它在CD機(jī)替代卡帶時(shí)誕生,而存儲介質(zhì)的轉(zhuǎn)換讓不少索尼的薄膜工廠閑置了下來。
 
      當(dāng)日本人意識到這些薄膜工廠能助鋰電池一臂之力時(shí),原本過時(shí)的產(chǎn)能又被重新激活。
 
      也就是說,鋰電池誕生之初,就已經(jīng)做好了規(guī);慨a(chǎn)的準(zhǔn)備。
 
      相比之下,固態(tài)電池的情況大不一樣。
 
     “這是完完全全地打掉重來,量產(chǎn)之前必須放棄過去30多年所建成的電池工廠和技術(shù),因?yàn)楣虘B(tài)電池與此前的技術(shù)儲備毫不兼容。”Sila Nanotechnologies CEO Gene Berdichevsky 指出。
 
      與此同時(shí),今天鋰離子電池的普及經(jīng)過了三十多年的量產(chǎn)迭代才能出現(xiàn)。
 
      1994年,最常用的18650型鋰離子電池的制造成本超過10美元,容量僅為1100mAh。
 
      到了2001年,價(jià)格降到了3美元,容量也躍升至1900mAh。
 
      今天,此類電池已經(jīng)有了超過3000mAh的容量,而且成本還在持續(xù)下降。
 
     “沒有人會與性價(jià)比過不去,鋰離子電池至少還能統(tǒng)治整個(gè)行業(yè)10年時(shí)間。”某電池專家認(rèn)為。
 
      電池行業(yè)發(fā)展與成本息息相關(guān),而成本與規(guī)模更是緊密相連。鋰離子電池在擁有如此良好開局的情況下,依然花了15年時(shí)間才從高度專業(yè)化的產(chǎn)品進(jìn)化成大眾市場產(chǎn)品。
 
      對于那些號稱要在幾年內(nèi)徹底顛覆整個(gè)電池行業(yè)的新技術(shù),不少人仍然持懷疑態(tài)度。
 
      從股價(jià)上,我們也能看出一些端倪。
 
      作為固態(tài)電池界的明星公司,QuantumScape手握200多項(xiàng)固態(tài)電池專利,市值曾一度沖高至500億美元,但從去年年底到現(xiàn)在已經(jīng)跌掉了一大半。
 
      有人指出,雖然QuantumScape技術(shù)不錯(cuò),但他們拿出的樣品電池比蘋果手表的電池都要小,而且從未走出過試驗(yàn)室。
      在研究了公開的技術(shù)文件后,不少人認(rèn)為QuantumScape也許最終能將固態(tài)電池推向市場,但恐怕很難滿足車用要求,而且價(jià)格會非常昂貴。
 
      眼下,業(yè)界普遍認(rèn)為,固態(tài)電池真正落地時(shí)間會在2025-2030年之間。
 
      事實(shí)上,目前已有不少巨頭或多或少投資了一些固態(tài)電池新創(chuàng)公司。
 
      福特、寶馬與現(xiàn)代就聯(lián)合投資了名為Solid Power的新創(chuàng)公司,本田則選擇與NASA及加州理工合作,試圖研究出可將能量密度提升10倍的新產(chǎn)品(不過該項(xiàng)目依然在用電解液)。
 
      通用方面,不但拿到了美國能源部的200萬美元獎勵(lì),還攜手LG化學(xué)投資2億美元繼續(xù)開發(fā)固態(tài)鋰電池,為旗下雪佛蘭Bolt電動車提供彈藥。
 
      與福特建立同盟關(guān)系的大眾則向美國固態(tài)電池新創(chuàng)公司QuantumScape投資3億美元,不過它們的生產(chǎn)線2024年才能建成(1gWh),而2026年第二座工廠才會成型(20gWh),至于大規(guī)模量產(chǎn)要到2028年了。
 
       相比之下,豐田走得最快,它們此前準(zhǔn)備趁著東京奧運(yùn)會發(fā)布一款搭載固態(tài)電池的電動車(已跳票)。不過,量產(chǎn)恐怕要再等五六年。
 
       除此之外,豐田還聯(lián)合本田、日產(chǎn)與松下組建了一個(gè)日本固態(tài)電池研發(fā)聯(lián)盟,預(yù)計(jì)2030年能將電動車?yán)m(xù)航做到500英里(約合804千米)。
 
       有趣的是,松下曾表示固態(tài)電池未來十年內(nèi)都難以投入商用。
 
       也許,在固態(tài)電池來臨之前,鋰電池可能還會統(tǒng)治業(yè)界一段時(shí)間。比如昨天小鵬又最新發(fā)布了他們基于磷酸鐵鋰電池版本的P7及G3。
3
 
      理論與實(shí)踐有時(shí)候不太同頻。
 
       假設(shè)固態(tài)電池真的能夠快速落地,實(shí)現(xiàn)了某些廠商聲稱的1000KM續(xù)航,關(guān)于電動車,人們還會有其它焦慮嗎?
 
       當(dāng)然有,而且還不少。
 
       譬如充電速度、充電站建設(shè),充電站背后的電網(wǎng)設(shè)施等等。
       英國華威大學(xué)的David Greenwood教授表示,電動汽車的成功取決于無處不在的充電網(wǎng)絡(luò)和更快的充電速度。
 
       先看快充技術(shù),這里首先還得明確試驗(yàn)室技術(shù)與商用技術(shù)之間的差別,因?yàn)檎嬲b車后的產(chǎn)品就必須在極端的溫度、苛刻的駕駛條件和大功率快速充電等工況下接受考驗(yàn),而它們對任何技術(shù)而言都是巨大的挑戰(zhàn)。
 
       另外,隨著電動車保有量的不斷增加,以及電動車商用化的深入,快充網(wǎng)絡(luò)將變得越來越重要。
 
       作為年發(fā)電量占到全球四分之一的發(fā)電超級大國,電能倒不會成為制約中國電動車發(fā)展的瓶頸,其真正挑戰(zhàn)在于配電設(shè)施、布線和變電站等。
 
      “從技術(shù)角度來看,已經(jīng)有不少公司拿出了實(shí)驗(yàn)室技術(shù),但如何大規(guī)模工業(yè)化是個(gè)大問題,而按照以往經(jīng)驗(yàn),這個(gè)過程至少需要5-8年。”某從業(yè)人士談到。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 鋰電池 電池
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