鉅大LARGE | 點擊量：1138次 | 2021年04月30日
10分鐘充滿電續航500KM，真有此事？
外媒近日爆料,豐田將在今年推出一款全新的固態電池,續航里程500公里,可在10分鐘內從空電充至滿電,充電速度接近傳統燃油車加油,并且安全隱患極小。
在固態電池因為年初的蔚來NIODay而重新成為熱點話題之際,豐田的這個消息,再一次引起人們的強烈關注。
因為,蔚來NIODay公布的續航超1000公里的所謂“固態電池”在被權威專家打臉之后,后來被證實是半固態電池,此時豐田被曝今年也要推出固態電池,難免被人用放大鏡辨真偽。
按照豐田的計劃,搭載這款固態電池的原型車2022年才會推出,量產時間要到2025年前后,這比專家所提出的量產時間節點——2030年,早了整整5年,是扯淡,還是大實話?
這又回歸到本源問題:到底是什么阻礙了被稱為下一代動力鋰電池解決方法的固態電池的發展?固態電池要到什么時候才能真正實現商業化應用?
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豐田的固態電池終于要來了
關于汽車行業來說,固態電池并非新鮮事物,而是一個長期在攻克的下一代動力鋰電池技術研發方向。
日本最大公立研究組織——新能源產業技術綜合開發機構(NEDO),在2008年公布的電池研發路線圖中就明確指出,要將固態電池作為未來新一代電池的發展方向。
工信部等四部委2017年二月聯合公布的《促進汽車動力鋰電池產業發展行動方法》,首次提出要重點推動固態電池等新體系動力鋰電池的應用,力爭使單體電池能量密度在2020年和2025年分別達到400Wh/kg以上及500Wh/kg。
從2012年開始,豐田、三菱、寶馬、大眾、現代、松下、三星、戴森等公司陸續開始研發固態電池,也公布過相關進展,但是,還沒有哪一家公司能夠推出真正意義上的固態電池。
在2019年,固態電池將替代鋰離子電池成為下一代動力鋰電池解決方法的相關話題曾經成為行業熱點,但在魔幻的2020年,因為發生了太多匪夷所思的事情,固態電池的話題一度冷了下去。
直到2021年開年不久,蔚來在NIODay上推出了150千瓦時的固態電池包,并聲稱搭載該電池的首款車型續航里程可達到1000km,預計2022年第一季度開始交付,固態電池又重新進入大眾視野。
豐田、寶馬、大眾等傳統車企巨頭以及松下、三星等有著豐富技術儲備的動力鋰電池制造商都未能交出答卷的固態電池,反而被蔚來這個只有數年造車史的新公司先做出來了?
很快就有專家站出來指責蔚來撒謊。
國聯汽車動力鋰電池研究院董事長熊柏青說,“全固態電池現在距商業化還很遠,現在甚至做個演示都還很困難。10年內完全攻克全固態難度挺大,反正至少這5年都沒戲。”
蔚來創始人李斌也很實誠,很快就公開回應稱他們采用的并非全固態電池,電池內部還是帶有部分液體的。也就是說,蔚來所謂的“固態電池”,其實是半固態電池。
時隔不到一個月,有媒體曝出豐田將在今年內推出一款全新的固態電池,這又是個噱頭嗎?
從目前公開的信息來看,應該不是噱頭。因為豐田的這款固態電池,不像蔚來張開就是續航1000公里,而是只有500公里續航,但充電速度很快,可在10分鐘內將電量從空電充至滿電,而且具有極小的安全隱患。除了續航不夠“駭人”,充電時間和安全性都是固態電池該有的樣子。
事實上,豐田的固態電池并不像蔚來那樣突然出現,而是早有預告。
日本車企對固態電池的技術規劃及應用進度是最快的,而豐田又是日本車企中的急先鋒,早就已經對外展示了處于試制階段的固態電池樣品,原計劃是在2020年東京奧運會期間向公眾展示搭載硫化物固態電池的電動汽車。
但因為疫情原因,東京奧運會推遲一年舉辦,豐田也就推遲到2021年推出固態電池,這個邏輯合情合理。
固態電池商業化為何如此困難?
如上所述,固態電池是新一代動力鋰電池的發展方向,許多公司早已展開對固態電池的研究,為何專家們對固態電池的量產應用時間抱著這么悲觀的態度——“5年內都沒戲,10年內完全攻克的難度也很大”?
固態電池的技術難度到底難在哪里?
首先,我們要認識一下什么是固態電池,以及了解清楚固態電池為何被認為是下一代動力鋰電池解決方法。
目前,新能源汽車所使用的動力鋰電池重要分為磷酸鐵鋰和三元鋰兩大類,但這兩者都屬于液態電池,采用的是液態電解質。最近幾年新能源汽車進入高速上升期,尤其是在電動汽車標桿特斯拉的推動下,新能源汽車在2020年得到了爆發式上升,電動汽車所搭載的磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池的缺點都已完全暴露。
三元鋰離子電池雖然能量密度比較高,輸出功率較大,續航里程長,但安全性差,三元材料會在200℃時發生分解,在高溫用途下極易發生燃燒或爆炸的現象。過去幾年里,國內就發生許多起電動汽車自燃爆炸事故,引發許多消費者對電動汽車安全性的擔憂。
磷酸鐵鋰雖然安全性高,壽命長,但能量密度遠遠比不上三元鋰離子電池,無法滿足消費者對續航里程要求越來越高的需求。
與此同時,由于這兩種電池都采用液態電解質,都要很長的充電時間,遠遠無法比擬燃油車。
固態電池,顧名思義是一種使用固體電極和固體電解質的電池。這種電池體積小,能量密度高,而且因為固態電解質不可燃、不漏液,即使在高溫情況下也不會著火,非常安全。
固態電池的技術路線有三條,包括聚合物電解質、氧化物電解質以及硫化物電解質,代表性公司分別是法國公司博洛雷(大型工業集團)、英國公司Ilika(全球為數不多的從事固態電池設計和制造的獨立專業公司之一)、豐田。
這三條線路各有優缺點,在電導率、能量密度、成本價格和安全性能上的表現,各有千秋。其中,硫化物的電導率和能量密度最強,但成本最高、安全性最差;聚合物的成本最低,但電導率和能量密度最低;氧化物的安全性最高,但電導率、能量密度、成本表現都一般。
固態電池的三種技術路線及優缺點
技術路線
優點
缺點
聚合物全固態
容易加工,可以制備大容量電芯、機械性較軟,各項性能和目前使用的電解液(本質是有機溶劑)有類似之處。工藝和現有的鋰離子電池比較接近,是最容易利用現有設備通過改造實現量產的固態電池。(1)離子電導率最低,必須加熱到60或85℃以上,離子電導率才會提升,車要經常保持在充電和高溫狀態;(2)容易短路(聚合物較為柔軟,鋰枝晶容易穿透固態電解質造成短路);(3)能量密度有局限,由于聚合物是有機物,電化學穩定性不好,跟三元兼容性不好,導致能量密度無法提升。
氧化物全固態
導電率高于聚合物,氧化物的離子電導率可達到10-4～10-5S/cm,通過摻雜能夠達到10-3S/cm的級別,但不如液態電解液。典型的代表有鋰鑭鋯氧、LAGP、LATP這些氧化物材料。
(1)氧化物的機械性能堅硬,假如用其制作電解質片,較容易脆裂;(2)與正極活性材料的固-固接觸也不是太好,導致從面接觸變成點接觸,界面損耗過大。
硫化物全固態
硫化物接觸性好,所以整體的離子電導率性能非常好,是人類所發明的所有固態電池材料中唯一能超過液態電解液離子電導率水平的材料,也是全固態電池未來最可能的技術路線。
產品成本價格非常高,空氣穩定性較差。硫化物化學活性很強,與空氣、有機溶劑、正負極活性材料反應都很強(尤其是與水接觸后直接出現H2S,H2S有毒有臭味),因此界面穩定性很差,導致生產、運輸、加工等環節都十分困難,限制了它的廣泛應用。
總體來說,無論是哪一條技術線路,都存在技術瓶頸和成本高昂的問題。
技術方面,目前的固態電解質電阻太大,尚未找到既能兼顧高倍率又能快充的物質做電解質,導電率、內阻界面阻抗及相容性也存在問題,這導致固態電池短時間內無法應用于市場。
成本方面,由于性能良好的材料非常昂貴,這導致固態電池的成本遠高于三元鋰離子電池,家電巨頭戴森就因為固態電池成本太高而決定及時止損不再造車。
什么時候才能真正實現量產?
正是因為受技術和成本所掣肘,固態電池的大規模商業化落地非常困難,業界對實現這一目標時間節點的預測,如同全面實現L5級全自動駕駛應用相同悲觀。
那么,固態電池還要多長時間才能搭載在量產車身上?
從車企和動力鋰電池商的研發進展來看,一些先頭特種可能在2021/2022年進入試制或投入市場階段,2025年左右實現量產。
2020年年底,美國電池技術公司SolidPower、研發固態電池的初創公司QuantumScape以及豐田汽車紛紛宣布在固態電池領域取得新突破。
與寶馬、福特合作的SolidPower宣布已經生產和交付其第一代2Ah全固態電池,能量密度達320Wh/kg,準備2021年投放市場,2026年應用于汽車領域。
大眾汽車所控股的QuantumScape所研發的固態電池,能供應380至500wh/kg的能量(當前特斯拉電池能量大約是260wh/kg),計劃2025年建立固態電池量出現產線。
而豐田搭載固態電池的原型車將在2022年才會推出,量產時間則要等到2025年前后。
另外,現代汽車投資的美國初創公司IonicMaterials,計劃在2025年實現應用固態電池電動汽車的量產。國內的長城汽車計劃在2025年量產量量密度達350～500Wh/kg的固態電池,北汽集團2025年前上市的新車有望搭載400Wh/kg的固態電池。
從這些公司的布局來看,2025年是一個重要節點,固態電池要到這一年前后才開始逐步進入商業化階段。
但2025年只是剛剛開始量產,也就是說,這是個試水市場的初級階段,真正實現成熟的商業化應用還需更長時間。
在一月份的我國電動汽車百人會論壇上公開懟“1000km續航”的我國科學院院士、我國電動汽車百人會副理事長歐陽明高認為,以目前的技術進展,全固態電池還要十年以上的時間才能夠在技術和制造工藝上達到量產的條件。“當然,這是在沒有意料之外的巨大科學突破的情況下。”
在他看來,全固態電池預計要到2030年才有條件實現量產。
雖然也有部分專家樂觀認為2025年能夠實現量產,比如合肥國軒高科工程研究總院常務副院長徐興認為“固態電池真正的大規模應用預計要到2025年”,但是否屬于真正的全固態電池(也可能是蔚來那樣的半固態電池或準固態電池),應用規模具體有多大,都要打個大問號。
眼下可以確定的是,豐田即將推出的固態電池雖然推動行業技術向前邁進了一小步,但距離最終目標——大規劃商業化應用,還有很長的路要走。
