新一輪電池技術(shù)革命已經(jīng)來(lái)了！固態(tài)電池有望2030年量產(chǎn)

第一財(cái)經(jīng) · 2023-11-16 11:39:14

11 月 15 日消息，美國(guó)全固態(tài)電池企業(yè) Solid Power 近日已經(jīng)生產(chǎn)出了第一批固態(tài)電池單體，并交付給了寶馬公司。......

編者按：11 月 15 日消息，美國(guó)全固態(tài)電池企業(yè) Solid Power 近日已經(jīng)生產(chǎn)出了第一批固態(tài)電池單體，并交付給了寶馬公司，寶馬公司計(jì)劃在 2025 年之前推出基于 Solid Power 技術(shù)的第一輛原型車。此外，寶馬公司將在德國(guó)慕尼黑附近的 Parsdorf 的電池制造能力中心，基于 Solid Power 的設(shè)計(jì)，建立一個(gè)固態(tài)電池單體的原型生產(chǎn)線。

“電池技術(shù)的創(chuàng)新周期大約是30年，這代鋰離子電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用在2000年左右，預(yù)計(jì)2030年會(huì)有一次全方位的革新?！比涨?，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高在新能源科學(xué)與交通電動(dòng)化國(guó)際論壇上表示，動(dòng)力電池發(fā)展第一個(gè)十年主要解決的是安全問題，目前還在繼續(xù)解決。從2010年開始的第二個(gè)十年，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步龐大，智能化手段推動(dòng)動(dòng)力電池全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)革新。第三個(gè)十年是新材料換代，以固態(tài)電解質(zhì)研發(fā)為核心的全固態(tài)電池正在研發(fā)中，預(yù)計(jì)2030年成熟。

隨著新能源車市場(chǎng)的快速發(fā)展，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。中國(guó)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，今年前三季度，我國(guó)動(dòng)力電池累計(jì)裝車量為255.7GWh，累計(jì)同比增長(zhǎng)32%。但與此同時(shí)，動(dòng)力電池領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過剩問題一直存在，行業(yè)淘汰賽正在加劇。尤其是今年電池原材料價(jià)格波動(dòng)下，動(dòng)力電池企業(yè)普遍面臨挑戰(zhàn)。寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱認(rèn)為，材料研發(fā)將是動(dòng)力電池下一階段比拼的決勝局。

從當(dāng)前電池企業(yè)的布局來(lái)看，鈉離子電池和固態(tài)電池為主要方向。在原材料價(jià)格上漲的階段，鈉離子電池一度被認(rèn)為是幫助車企降本增效的手段。不過，和鋰離子電池相比，鈉離子電池能量密度相對(duì)更低，更適用于低速電動(dòng)車、入門級(jí)電動(dòng)車等對(duì)續(xù)航要求不高的產(chǎn)品。另一個(gè)方向則為固態(tài)電池，固態(tài)電池能量密度高、安全性好，能夠擁有更優(yōu)異的充放電性能。業(yè)界普遍認(rèn)為，固態(tài)電池將是電動(dòng)車動(dòng)力電池未來(lái)的解決方案。但固態(tài)電池仍有著成本高、內(nèi)阻大等缺點(diǎn)，制約了商業(yè)化落地。而半固態(tài)電池作為折中方案，成為現(xiàn)階段不少車企和產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的新選擇。

不過，在電池企業(yè)追求高性能的電池設(shè)計(jì)過程中，電池的安全性問題仍是需要考慮的首要因素。電池的安全問題，從科學(xué)的角度來(lái)講是電池?zé)崾Э?，而電池的熱失控是由各種誘因過充過放等導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度上升，超過正常電化學(xué)反應(yīng)過程，出現(xiàn)放熱的副反應(yīng)?！斑@種副反應(yīng)會(huì)加速電池溫度上升，當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn)每秒鐘上升1000攝氏度，熱失控發(fā)生。熱失控發(fā)生后會(huì)在整個(gè)電池系統(tǒng)中蔓延，全部引燃就會(huì)形成著火等事故?！睔W陽(yáng)明高表示，建立相應(yīng)的電池安全技術(shù)體系包括三個(gè)方面，一是主動(dòng)安全，即通過發(fā)展智能電池產(chǎn)品來(lái)應(yīng)對(duì)各種誘因；二是本質(zhì)安全，通過提高電池材料的熱穩(wěn)定性來(lái)防止熱失控的發(fā)生，這也推動(dòng)了全固態(tài)電池的研發(fā)和換代；三是被動(dòng)安全，通過防控設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)等應(yīng)對(duì)熱失控蔓延。

相較于液態(tài)鋰離子電池，全固態(tài)電池負(fù)極側(cè)的反應(yīng)起始溫度延后，初期反應(yīng)熱下降，熱失效的邊界提升。但歐陽(yáng)明高認(rèn)為，全固態(tài)電池在極端情況下，并不是絕對(duì)安全的，也存在熱穩(wěn)定性問題?！巴ㄟ^對(duì)熱失控的機(jī)理分析，有兩條失效路徑，一是氣固反應(yīng)（固體跟氧氣反應(yīng)），這條路徑我們認(rèn)為是有點(diǎn)危險(xiǎn)的。另外一條路徑是有某些硫化物固態(tài)電解質(zhì)，但還有一些硫化物固態(tài)電解質(zhì)的固固反應(yīng)，固固反應(yīng)的溫度會(huì)比較高，都在300攝氏度以上，這個(gè)我們認(rèn)為還是可以的?！?/p>

現(xiàn)階段，固態(tài)電池在技術(shù)指標(biāo)上領(lǐng)先于三元鋰電池。從當(dāng)前產(chǎn)業(yè)布局來(lái)看，豐田、寶馬、大眾、現(xiàn)代等多家國(guó)際車企均在固態(tài)電池領(lǐng)域進(jìn)行布局，并加大在固態(tài)電池領(lǐng)域的投資。不過，目前還未看到量產(chǎn)固態(tài)電池搭載在汽車上。早在2011年，豐田就表示將在2015年至2020年推出固態(tài)電池，其認(rèn)為固態(tài)電池將完全彌補(bǔ)新能源汽車的續(xù)航里程難題，同時(shí)還能大力推動(dòng)新能源汽車普及速度。然而，時(shí)至今日，固態(tài)電池依舊未能得以正式應(yīng)用。

吳凱表示，寧德時(shí)代正在努力做固態(tài)電池的研發(fā)，可能在2027～2030年量產(chǎn)。“現(xiàn)在還遇到一些問題，主要有兩方面。一是鋰枝晶問題，鋰枝晶生長(zhǎng)是一個(gè)大問題，一短路就導(dǎo)致失效。寧德時(shí)代開發(fā)了界面增強(qiáng)技術(shù)，讓鋰枝晶相對(duì)比較均勻，不容易形成枝晶；二是固溶性的問題，因?yàn)槎际枪虘B(tài)，顆粒材料分離，密度就變大。寧德時(shí)代也開發(fā)了雙相導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提升固態(tài)界面的穩(wěn)定性。”吳凱表示。

“下一步要產(chǎn)業(yè)化的是智能安全電池，就是把安全技術(shù)、智能技術(shù)全部結(jié)合起來(lái)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)該在2025年。全固態(tài)電池估計(jì)在2027年～2030年之間達(dá)到規(guī)模產(chǎn)業(yè)化?！睔W陽(yáng)明高表示。

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