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探討固態電池及其材料的生產工藝和設備的問題

鉅大LARGE  |  點擊量:3032次  |  2019年01月02日  

前面提到了,鋰金屬用作負極材料的制備,堪比芯片制造的難度。金屬鋰是個十足活潑的活躍分子,極容易與空氣中的氧氣和水分發生反應,并且還不耐高溫,這就給固態電池的生產組裝和實際應用中帶來極大的困難。

還有,如果要改善電解質和正負極的界面阻抗,就要通過在1000度以上的高溫下燒結電極材料來增加界面的接觸面積,這對工藝要求也比較苛刻。

在薄膜型氧化物電解質的制造中,由于傳統的涂布法無法控制粒子的粒徑與膜厚,成膜的均勻性比較低,只有真空鍍膜法才能夠較好保持電解質的均勻性。所以薄膜型固態電池產品多采用真空鍍膜、磁控濺射、脈沖激光沉積、化學氣相沉積等方法生產,對設備要求極高,制備工藝也很復雜,不利于大規模生產,導致生產效率低下,成本高昂。

例如,2015年被戴森收購的Sakti3就是生產薄膜型固態電池的,但其產品由于制備成本高以及規模化生產難度大導致成本極其高昂,有人測算如果一輛電動汽車采用Sakti3的固態電池的話,那么僅電池成本就高達9000萬美元。

然而,戴森老爺子居然說要在將來的戴森牌電動車上使用Sakti3的固態電池,也真的是……壕。

目前即使是少數商用的薄膜型固態電池,都是用在對價格極其不敏感的特種航天、以及心臟手術領域。

另外,硫化物固態電解質的生產環境限制與安全問題也同樣令人心碎。因為硫化物基固態電解質對空氣極為敏感,特別容易氧化,稍微遇到一點水氣還容易產生硫化氫這樣的有毒氣體,這意味著其生產環境的控制將十分苛刻,需要隔絕水分與氧氣,并且還會產生有毒氣體。

(未來,想象這樣一個畫面,一旦在車子行駛過程中發生狀況電池破損,硫化物電池在和空氣接觸之后放出氣味很臭且有劇毒的硫化氫氣體……)

此外,理論上硫化物電解質的生產環境需要嚴格隔絕水分和氧氣,但在實際操作中幾乎又是不可能的。因為硫化物難免不和空氣中的水分反應生成硫化氫氣體,所以這種電解質必須采用冷壓技術在惰性氛圍下進行生產,這進而造成另一大問題,就是這樣制造出來的電解質微觀層面仍有空隙和晶界空格,無法做到完全致密,這樣充電循環過程中鋰枝晶就在會空隙中生成,最終導致電解質破碎,電池短路。

按下葫蘆浮起瓢,確實愁煞個人。

所以,固態電池的生產制造將是一個巨大的挑戰。其生產流程、工藝方式和傳統鋰電池也是完全不一樣的。雖然理論上固態電池和當下鋰電池在封裝技術上大同小異,但電解質膜片和正負極極片的制備上,可以說卻是全新的。例如制備固態電解質或正極材料,就需要采用射頻濺射、射頻磁控濺射等各種濺射技術,甚至用3D打印技術;制備金屬鋰負極就需要采用真空熱氣相沉積技術。

第四座大山,就是固態電池及其材料的生產工藝和設備難題。

第四座大山,就是固態電池及其材料的生產工藝和設備難題。

這些技術如何實現大規模應用,還是另一項重大挑戰。

所以,在翻越這幾座大山之前,固態電池真正的產業化只是看上去很美,更何況是大規模應用到電動汽車上了。

事實上,業界普遍認為的固態電池的諸多優勢都只是理論上的,很多層面都沒有經過驗證。相對于液態電解質電池,目前在全球范圍內還沒有報道顯示固態電池的綜合電化學性能超過液態。且當前研究重點還是解決循環性、倍率特性,各類全固態電池的熱失控、熱擴散行為的測試數據還都非常少,說明這方面做得工作還遠未到位。

例如,雖然業界對固態電解質的研究已有近30年的歷史,但直到今天都沒有克服鋰離子傳導效率差這一世界難題。

在電化學領域,一種新的材料、新的技術從實驗室走向社會應用層面,一般需要十年甚至更長的時間。從目前看來,固態電池仍舊處于實驗室研究階段,諸多業界精英都在為解決電解質和正負極材料的集成、鋰離子電導率低、界面阻抗大等基本問題努力奮戰,但我們也必須認識到,問題得到解決終究不是一日之功。

即便是越過了實驗室階段,還要再經歷一輪又一輪的小試、中試,攻克掉諸多生產技術和工藝等方面的難關,才可以最終實現產業化,而這又尚需很長的時日。

鋰電池的產品和技術進步,需要全產業鏈的相互協調和配合才能完成,所以在當下與其配套的材料、設備、工藝還不成熟,甚至連技術路線都沒確定,生產設備都沒有的情況下,談論固態電池的產業化還為時尚早。

可以預見,未來固態電池一定會遵循液態、半固態、固液混合到全固態的發展路徑。伴隨每一個階段的躍升過程的是,上下游相關產業鏈的共同成熟和壯大。

題外話,固態電池的普及過程,也許就是當前鋰電產業鏈條的重塑和顛覆過程。

固態電池的前景可期,從國家和整個行業層面應該進行一定的布局,包括通過立項一些國家級的研發項目等手段來未雨綢繆。

不過對于整個新能源汽車及上下游產業來說,在現有體系還有不小的降本空間,以及能量密度的提升空間的前提下,更應該將主要精力花在高鎳正極、硅碳負極以及高電壓電解液等一系列必須要面對的技術難題上來,更何況高鎳811的量產道路上尚且還有不少基礎問題需要去解決。

對于固態電池,還要摒棄那種通過顛覆式技術創新來快速獲取成功的念頭,因為這種心態對于制造業,尤其是鋰電池這種前期投入巨大的高端制造業來說,無異于毒藥。

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