鉅大LARGE | 點擊量：802次 | 2020年08月07日
固態(tài)電池是不是“引爆”電動汽車的催化劑？
如今，純電動汽車自燃、爆炸等事件時有發(fā)生，而動力電池特別是鋰電池安全性，更是縈繞在電氣化發(fā)展之路上的長期課題。無論是較早推行純電動的“新勢力”，還是正處于轉型期的傳統車企，在動力電池安全性與長期使用的穩(wěn)定性方面，都難以給消費者在安全方面“打包票”。
所以在車云菌看來，電池技術發(fā)展將成為推動各大車企向純電動轉型的催化劑，固態(tài)電池可能就是其中之一。
一、什么是固態(tài)電池
1、分類與特點
固態(tài)電池可根據電解質中液態(tài)成分的占比，分為半固態(tài)鋰電池（液固各占一半）、準固態(tài)鋰電池（固多液少）、固態(tài)鋰電池（少量液態(tài)）、全固態(tài)鋰電池，而全固態(tài)電池顧名思義是正極、負極和電解質均為固態(tài)的鋰電池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
相比目前純電動車采用的鋰離子或鋰聚合物電池，全固態(tài)鋰電池可“省略”隔膜材料，固態(tài)電解質本身充當了隔膜，因而固態(tài)鋰電池的結構更接近“三明治”。
需要說明的是，固態(tài)鋰電充放電機理與常規(guī)鋰電池相似，都是鋰離子在電極材料上的嵌入與脫嵌過程，不過得益于固態(tài)電解質在密度與結構方面的優(yōu)勢，帶電離子聚集在一端，傳導的電流更大，從而提升了電池容量，換言之，體積相同的情況下，固態(tài)電池的容量會大于常規(guī)鋰離子電池。
由此說來，固態(tài)電池的優(yōu)點可歸結為以下幾點：
更輕：伴隨電極與電解質邁入全固態(tài)，鋰離子電池的材料體系也會發(fā)生相應變化，電池能量密度提升的同時，電池單體、電池組甚至電池包的重量也隨之下降。綜合當前報道，“試制”階段的全固態(tài)電池能量密度已可達300-400Wh/kg。
更?。荷釛壱簯B(tài)電解質與隔膜材料后，正負極間僅剩固態(tài)電解質，因而兩極間的距離可縮短至十幾微米，甚至更低。
更穩(wěn)定：雖然固態(tài)陶瓷氧化物電解質自身較“脆”，但依舊具備一定的柔性，配合相應的封裝材料，電池在經受上千次也可保證性能不會衰減。
更安全：眼下，造成鋰離子電池自燃、爆炸的原因有很多，而熱管理失效和鋰枝晶問題仍是主要因素。所謂熱管理失效，是由于電池包需要上千個電池單體組成，常規(guī)鋰電池電解質中的有機物，有概率在高溫下發(fā)生氧化分解或副反應并產生氣體，造成電池鼓脹甚至爆炸；而鋰枝晶則是電池在充放電中難以規(guī)避的問題，如果枝晶間電解質隔膜穿透，便會造成電池短路，進而引發(fā)自燃。雖然固態(tài)電池并非“不可能”產生枝晶，但能夠得到抑制，且全固態(tài)電池中不易生長枝晶，伴隨科技手段進步，枝晶問題也有望得到解決。
不僅如此，從相關資料來看，鈷酸鋰電解液電化學窗口為4.45V，三元材料為4.35V，如果電壓增加則會遇到電解液氧化問題，而正極表面也會發(fā)生不可逆相變，即便是當前的“811”電池，充電電壓也受到了耐高壓電解液的制約。
反觀固態(tài)電池，固態(tài)電解質電化學窗口有望提升至5V，能夠適應高壓電極材料，甚至有報道稱可承受7.4V電壓，加之固態(tài)電池可串行疊加排列或疊加多電極使用，單體電池經過串聯后可承受的電壓也隨之增加。
由于封裝工藝簡化、單體重量降低，固態(tài)電池構成的電池包能量密度可超過255Wh/kg，而目前常規(guī)電動汽車電池能量密度最高為170Wh/kg左右，參考2019年新能源補貼政策，160Wh/kg及以上的車型補貼系數為1，180Wh/kg以上補貼系數為1.2。
重點在于，根據“中國制造2025”的規(guī)劃，至2020年鋰電池能量密度將達到300Wh/kg，2025年為400Wh/kg，2030年為500Wh/kg，也就是說，無論從國家規(guī)劃還是技術發(fā)展角度來說，固態(tài)電池都更具潛力與實力。
值得一提的是，伴隨固態(tài)電池逐漸向“全固態(tài)”的最終目標發(fā)展，其僅用“干法”回收即可，也就是通過破碎法將電池內部的有效成分提取出來，這也就解決了當下動力電池回收難、易產生廢液等問題。
2、問題與現狀
考慮到固態(tài)電池具有能量密度大、重量輕等優(yōu)點，并能夠解決現階段鋰電池的諸多痛點，因而該技術有望成為純電動汽車續(xù)航提升，甚至從推廣轉向普及的核心發(fā)力點，但固態(tài)電池自身的也面臨著眾多技術難點。
電解質材料
從電解質技術路線來看，固態(tài)電池電解質可分為聚合物型、氧化物型、硫化物型和鹵化物型，不過各自均有不同的優(yōu)缺點。
以聚合物固態(tài)電解質為例，該類型電解質由聚合物基體和鋰鹽組成，前者多為聚環(huán)氧乙烷、聚硅氧烷和脂肪族聚碳酸酯等，而常見的鋰鹽則包含LiPF6、LiTFSI、LiClO4、LiAsF4、LiBF4等，室溫電導率約10-7-10-5S/cm。
雖然該類型電解質具備較出眾的機械加工性能，但此前歐陽明高在接受媒體采訪時曾表示，“現在有用聚合物電解質的電池，搭載于法國的一些車輛上，它的問題就是需要加熱到60度，離子電導率才上來，電池才能正常工作?！?。也就是說，如何提升聚合物固態(tài)電解質的電導率，并擴寬其工作范圍，將成為研發(fā)方向之一。
反觀氧化物型固態(tài)電解質，其室溫電導率為10-6-10-3S/cm，該類型中較為可觀的是鈣鈦礦型晶態(tài)氧化物固體電解質，相關文獻稱該類型電解質電導性通常由晶體中的空穴濃度、Li+在材料中傳輸瓶頸大小及晶體有序度等因素決定，通過在材料中摻雜原子半徑大的離子，可制造空穴濃度較高的電解質材料，有效提高電解質材料的離子電導率和界面性能。而反鈣鈦礦型電解質材料，具有充放電過程中，伴隨溫度升高界面阻抗降低的特性，前景較為光明，但對空氣較敏感，在水、稀酸環(huán)境下易造成鋰流失，電導率下降。
此外，氧化物型固態(tài)電解質中的Garnet型和LiPON型，制備難度較大，生產效率是問題。
硫化物固態(tài)電解質與氧化物固態(tài)電解質相似，只是后者的氧被硫原子替代，得益于硫擁有更大的原子半徑和極化率，且與鋰離子的結合力較弱，因而硫化物固態(tài)電解質的電導性更加出眾，室溫下可達10-3-10-2S/cm，這也是豐田致力于硫化物固態(tài)電解質研發(fā)的原因之一。
不過，該類型電解質在空氣中易與水反應生成硫化氫，后者易燃、易爆的缺點，對固態(tài)電池的安全性與循環(huán)壽命造成了影響。好在，目前已有研究證明硫化氫的生成量與Li2S-P2S5的組成比例相關，同時用砷（As）部分替代電解質材料中的部分元素，即可提升材料對水的化學穩(wěn)定性，所以硫化物固態(tài)電解質或仍為日后發(fā)展重點。
相比之下，鹵化物固態(tài)電解質由于難以兼顧高離子電導性與高穩(wěn)定性，對該類型的研究仍較為有限。
電極材料
伴隨電解質走向固態(tài)，電池正負極材料也將進行升級，比如目前主流的NCM和NCA正極材料體系將面臨組分比例調整、界面改性、能量密度提升等進階方向?？紤]到金屬鋰在循環(huán)過程中易產生枝晶問題，氧化物在循環(huán)過程中體積變化率大，易撐破電池造成電池失效等問題，碳族負極材料仍是未來發(fā)展重點。
其中最有代表性的是石墨材料，不過該材料理論容量僅為372mAh/g，伴隨能量密度提升，石墨烯、碳納米管等新材料的引入，碳族負極材料的理論容量可提升至800~900mAh/g。此外，還有理論容量為994mAh/g的錫基材料，以及理論容量可達4200mAh/g的硅基材料，但錫基材料循環(huán)性能差、可逆容量低等問題不利于其商業(yè)化生產，而硅基材料雖然導電率高、穩(wěn)定性好，但硅基材料在充放電過程中的體積變化高達300%，且多次循環(huán)后表面包覆的碳材料會破碎、脫落，可見如何解決碳硅負極材料的體積變化問題，是該材料發(fā)展的瓶頸之一。
界面問題
有別于當前鋰離子電池的固液界面，固態(tài)電池特別是全固態(tài)電池，將面臨電極與電解質的固/固界面高阻抗問題，簡單的說，由于界面接觸不良、離子導電界面層劣化、相變或體積變化導致結構失效等，都是導致“固/固界面”阻抗較高的原因。
當然，根據電固體解質類型的不同，改善界面問題的方式也有差異，從方向上說，目前的技術手段包含化學氣相沉積、涂布法和包覆等。值得一提的是，枝晶也是界面問題之一，雖然有資料表明部分材料與相應技術手段能夠抑制該問題，但整體技術尚未成熟。
此外，能夠獲得更高的充電速度也是固態(tài)電池的潛在優(yōu)勢之一，雖然2018年有外媒稱固態(tài)電池相比目前的鋰電池，在充電速度方面不具備明顯優(yōu)勢，但今年7月比利時微電子研究中心（IMEC）與EnergyVille合作推出的固態(tài)鋰金屬電池，能量密度達到了400Wh/L，并可在2小時內充滿電，同時該機構還計劃在2024年將能量密度提升至1000Wh/L，且具備30分鐘內完成充電的能力。當然，除了技術不成熟外，如何控制成本也是固態(tài)電池量產并投放市場前需要攻克的難題。
二、固態(tài)電池與純電動汽車的未來
與時間賽跑的技術研發(fā)
固態(tài)電池作為有望替代當前鋰離子電池的“新一代”電池技術，除了相關機構與供應商發(fā)力研究外，各大車企也早把目光鎖定在了該技術上，甚至可以說固態(tài)電池的投產，與車企電氣化布局息息相關。綜合海內外各大媒體報道不難發(fā)現：
1、作為對固態(tài)電池呼聲最高的車企，大眾集團已向QuantumScape注資一億美元用于開發(fā)固態(tài)電池，并在牽手國內的寧德時代不久后，大眾集團首席執(zhí)行官赫伯特·迪斯稱，大眾集團將在歐洲建廠生產固態(tài)電池，并有望在2024-2025年間實現量產。不過也有外媒認為，大眾集團可能在2020年底開始布局固態(tài)電池。
2、寶馬集團于2017年牽手SoildPower開發(fā)固態(tài)電池，同時與國內的寧德時代展開合作，布局電氣化車型。
3、豐田也是較早著手研發(fā)固態(tài)電池的車企之一，除了與松下共同發(fā)力外，其側重硫化物固態(tài)電解質技術路線也已曝光，且外媒稱豐田有望在2022年推出搭載固態(tài)電池的車型。聚焦國內，與豐田達成伙伴關系的是寧德時代與比亞迪，“巧合”的是，寧德時代目前在硫化物固態(tài)電解質領域已取得初步進展，而比亞迪在2017年申請了一項固態(tài)鋰電池正極復合材料專利，眼下正推動固態(tài)電池邁向商業(yè)化。
4、現代集團已投資IonicMaterials用于固態(tài)電池研發(fā)，而為后者出錢的還有三星和戴森。
5、本田在發(fā)力固態(tài)電池領域選擇的伙伴也是松下，同時該品牌與寧德時代展開了合作，而本田與通用還“官宣”共研“下一代”電池技術，只是除了燃料電池外，尚未透露更多細節(jié)。
此外，部分供應商也在推進固態(tài)電池領域的研究，從博洛雷、大陸、LG、蘋果，到國內的比亞迪、寧德時代、國軒高科、贛鋒鋰業(yè)等，無論是車企借新技術推出全新產品，還是各大供應商爭奪未來鋰電池市場份額，加速技術研發(fā)的同時，從一定程度上說，也是在與時間賽跑。
值得一提的是，我國的初創(chuàng)企業(yè)——清陶（昆山）能源發(fā)展有限公司，已在昆山部建立了固態(tài)電池生產線。該生產線的年產能為100兆瓦時，計劃到2020年增加到700兆瓦時。與容量為250-300Wh/kg的新一代鋰電池相比，其固態(tài)電池的能量密度已經超過了400Wh/kg。
電池技術會影響到車企電氣化布局？
客觀地說，相比自主品牌，海外車企在布局純電車型方面動作較為保守，在車云菌看來，需要顧及全球產品進度是原因之一，但部分產品受限于當前電池技術難以實現更優(yōu)表現，則是更深層原因。
比如，寶馬今年7月發(fā)布的MiniCooperSE，270km的最大續(xù)航里程讓這臺小車略顯遜色，究其原因，或許與UKL平臺給電池包預留的空間較為有限不無關系，可這也折射出目前鋰電池仍存在能量密度、體積甚至重量方面的不足之處。
無獨有偶，車云菌在與寶駿汽車產品負責人交流時，對方認為當前的電池技術，不利于打造純電小型SUV，相比之下，從緊湊型SUV開始布局純電車型更加合適。換言之，沒有足夠大的空間安放電池組，就無法衍生出具有競爭力的產品，至少在續(xù)航里程方面如此。
需要說明的是，保時捷Taycan等即將推向市場的車型將支持350kW快充，而高壓充電則是對電池、溫控系統、充電樁等，車輛自身與配套設施的綜合大考。
反觀固態(tài)電池自身優(yōu)點，高能量密度、小體積、支持快充，無疑將打消現階段消費者對續(xù)航和補能的焦慮。眼下，部分車企為了加速布局純電車型，已將自身產品陣營進一步整合，“高銷量優(yōu)先”的同時，能夠轉型為純電動的車型才“適者生存”，當然，削減成本集中火力技術攻堅與布局純電，可能也是產品陣容調整背后的因素。
在車云菌看來，伴隨電池技術發(fā)展，當下視為“不適合轉型純電”或者“非銷量主力”的車型有望重回我們視野。重點在于，電池技術也將推動更多品牌邁向純電。
正如賓利在推出EXP100GT概念車的同時，其官方對未來電池技術發(fā)展表示樂觀，并稱其續(xù)航里程將達到700km，車身重量或在1900kg以下，且裝備相當于目前能量密度的五倍電池，僅需15分鐘即可充電80％，而量產版EXP100GT的車身會超過全新FlyingSpur。
要知道，以該品牌當前產品來看，若推出純電產品，“控制體重”的工作只在車身材料下功夫是不夠的。此外，也有外媒稱奧迪或將在2023年推出采用固態(tài)電池的全新跑車。從一定程度上說，更先進的電池技術除了會作用于產品層，對標榜自身品牌含金量同樣功不可沒。
三、固態(tài)電池不會是終點
從半固態(tài)發(fā)展到全固態(tài)，固態(tài)電池的優(yōu)勢有望解決目前鋰離子電池的痛點，但即便是全固態(tài)電池也不會是電池發(fā)展的終點。
考慮到可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好等方面，氫燃料電池的前景仍不容小覷，除了早已涉足該領域研究的寶馬、豐田、本田、通用等車企外，現代集團也開始發(fā)力氫燃料電池，同時奧迪也于近日宣布重啟燃料電池技術研發(fā)。
不過在車云菌看來，燃料電池對環(huán)境更加友好的同時，距成為主流還尚需時日，至少當前會遇到如下這些問題：
1、氫氣的制備、運輸成本不容忽視；
2、無論生產還是落腳車型端，安全問題也需要更多技術背書；
3、相比充電樁和充電站升級，氫燃料網絡的建設需要更多成本和時間。
車云小結：
電池技術無疑是純電動汽車發(fā)展的托盤，而邁向固態(tài)化則是鋰電池前進的大勢所趨，伴隨固態(tài)電池技術發(fā)展，在解決鋰離子電池應用過程中的痛點之余，電池小型化、高能化、輕量化和快充能力，將成為海內外各大車企產品，甚至旗下全品牌邁向電氣化的催化劑。
同時，電池技術的迭代與發(fā)展，也是對車企與供應商的大浪淘沙，也就不難解釋“觸電”為何會成為競爭對手間合作的紐帶。再聯想到一貫嚴謹的某日系品牌，近期在聯手本土電池企業(yè)，以及發(fā)布電動化產品架構方面的“高調”，以其為縮影，或許傳統車企在技術層面觸電的步伐一點也不慢，只是在“等”。
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