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固态电池实现重大突破,15分钟充电80%,可实现电动汽车更长时间续航

你太虚伪 2020-12-11 14:52:19

当地时间12月8日,由大众和比尔·盖茨支持的初创公司QuantumScape公开其最新固态电池研究成果。数据显示,其电池可在15分钟内充满80%的电量,在续航里程为300英里或更高的车辆上搭载,正常使用寿命将达到12年左右。同时测试表明,该电池在800次循环后并未衰退,相当于24万英里(38万公里)的行驶里程。


固态电池实现重大突破,15分钟充电80%,可实现电动汽车更长时间续航


据了解,这种固态电池关键突破是使用陶瓷分离器取代传统电池中使用的液体电解质,作为正负离子流动的介质,这种陶瓷是柔性的,而不是刚性的。在零下30摄氏度的极冷温度下,能量可以继续在整个电池中移动,这个温度会导致其他固态设计无法运行,或者会严重降低湿锂离子电池的性能。


固态电池实现重大突破,15分钟充电80%,可实现电动汽车更长时间续航


锂离子电池发明者、2019年诺贝尔化学奖得主之一Stan Whittingham表示,“制造一个固态电池最困难的部分是需要同时满足高能量密度、快速充电、长循环寿命和宽温度范围工作的多个要求。数据显示,QuantumScape的固态电池完全满足所有这些要求,这是以前从未报道过的。如果该公司能够将这项技术投入大规模生产,它就有可能改变整个行业。”


实际上,QuantumScape今年11月份才刚刚上市。不过,在上市之前,该公司就从大众汽车获得了3.8亿美元,并从比尔·盖茨、Breakthrough Energy Ventures、Khosla Ventures和KPCB等科技投资者处获得了资金。


此外,大众汽车还承诺将向QuantumScape投入更多资金,资助双方的合资公司生产电池,希望2025年能在汽车上使用该公司的固态电池。作为锂离子电池产业化第30个年头,2020年电池技术也将进入一个新的变革周期。目前锂电池的安全问题仍未解决,于是固态电池就成为下一代锂电技术的方向。


固态电池和锂电池最主要的区别在于固态电池电解质为固态,相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。


与传统锂电池相比,固态电池最突出的优点是安全。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性。固态电解质可以抑制锂枝晶、不易燃烧、不易爆破、无电解液走漏、不会在高温下发生副反应等,在大电流下工作不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路,不会在高温下发生副反应,不会因产生气体而发生燃烧。


固态电池循环性能强。固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象,大大提升了锂电池的循环性和使用寿命,理想情况下循环性能表现优异,能够达到45000次左右。


此外,固态电池还有能量密度高、适用范围大等优点。当然,固态电池也不是没有缺点,界面阻抗过大、成本相对较高等将是今后研究过程中需要解决的问题。


企业开启固态电池争夺战


看好固态电池的前景,世界各国也纷纷加快固态电池技术研发进度,来提前占领该市场。


日本车企在固态电池上的研发起点相对较早,最早入局的丰田在2008年就与固态电池创企伊利卡(Ilika)展开了合作,目前正在加速与松下的联合项目,希望在2025年之前开发车载固态电池。同时,本田、日产等企业也在探索固态电池相关技术。


我国虽然在该领域起步较晚,但包括宁德时代、比亚迪、辉能科技、珈伟股份、赣锋锂业、中科院化学所、中科院青岛能源所在内的企业和科研院所都在积极发力固态电池的研发。


应该看到的是,固态电池尚未实现大规模商业化,全球预计2020年准固态锂电池会实现产业化,到2025年全固态锂电池将最终实现产业化。根据中银国际测算,全球固态锂电池的需求量在2020年、2025年、2030年分别有望达到1.7GWh、44.2GWh、494.9GWh,2030年全球固态电池市场空间有望达到1500亿元以上。期待早日看到全固态锂电池实现产业化。


固态电池获突破,千亿市场争夺战一触即发


行业中,固态电池一直是公认的下一代动力电池,或将取代液态电解质的锂离子电池。这也意味着,谁率先突破,量产上车,谁就将占领技术制高点,赢得有利市场地位。


据起点锂电大数据了解,目前包括宁德时代、比亚迪、国轩高科等电池企业都在该领域有所研究,除此以外,一些头部车企似乎比电池企业更为“热衷”。


大众先行,能量密度达Model 3四倍


12月8日,起点锂电大数据获悉,由大众和比尔·盖茨支持的初创公司QuantumScape公布了其最新固态电池惊人的性能数据。据称,它能将电动汽车的续航里程提高80%,并能在15分钟内充满80%的电量(通常锂离子电池需要40分钟或更长时间),在800次充电后仍能保持80%以上的容量、未显衰退,相当于24万英里(38万公里)的行驶里程,寿命能够达到12年。


固态电池实现重大突破,15分钟充电80%,可实现电动汽车更长时间续航


据了解,这次取得突破的关键在于使用了陶瓷分离器(一种薄而灵活的薄片,允许锂离子在电池正极和负极之间来回移动,同时防止锂金属形成导致电池起火的“树突”)取代传统电池中使用的液体电解质,借助陶瓷柔性特质,在零下30度极低的气温下,能力可以继续移动,不会像现在的电解液发生冻结情况,从而引起充电速度慢以及危险碰撞等。


QuantumScape表示新电池不可燃烧,电池体积能量密度超过每升1000瓦时,是顶级商用锂离子电池组密度的两倍,是目前特斯拉Model 3所用电池的四倍。总体来看,这款电池充电更快、容量更大、使用寿命更长。QuantumScape认为这也可能是第一个商业上可行的固态电池,将于2024年投入生产。毫无疑问,这个消息对整个行业来说,都具有一定的突破性。


固态电池实现重大突破,15分钟充电80%,可实现电动汽车更长时间续航


但值得注意的是,QuantumScape是斯坦福大学前研究人员于2010年在美国圣何塞成立的公司,得到过大众汽车、马牌轮胎、上汽集团等企业投资。近日,得益于大众集团以及比尔盖茨的投资,QuantumScape上个月已经成功上市。


相比较来看,QuantumScape发展相对比较快速,目前很多初创公司也正致力于固态电池领域,但还只处于研发阶段。


固态电池的“神秘面纱”


固态电池是下一代锂电技术制高点,核心在于电解质。虽然在工作原理上,与传统的锂电池并无区别。但是细看来,差别又非常大,也正是这些“差别”突显了它的优势,让企业“为之疯狂”。


最基本的区别从字面可以理解。固态电池电解质为固态,相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。而传统锂电池采用的是液态电解质,可以流动。


安全性方面,电解质材料很大程度上决定了固态锂电池的各项性能参数,如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性,像上文提到的陶瓷。


据了解,液体电解质电池能量密度最高可至300Wh/kg,固态电池研发可提供的能量密度基本可达300-400Wh/kg,相比较固态电池拥有更高的能量密度,可以解决新能源汽车里程问题。


重量方面,固态电池对空间环境要求没有那么高,通过直接使用金属锂来做负极,减轻负极材料的用量,加上简化封装、冷却系统、缩小空间等方式都能减少电池重量。


固态电解质还可以解决液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象,提升了锂电池的循环性和使用寿命。据悉,在理想情况下,能够达到45000次左右。


有研究人员认为,固态电池的适用范围更大。固态电解质赋予固态锂电池结构紧凑、规模可调、设计弹性大等特点,除了动力电池,也可应用于储能以及驱动微型电子器件等领域。


但是,固态电池也有其缺点。技术方面,电极与电解质之间的有效接触较弱,离子在固体物质中传输动力较低。在成本方面,固态电池压力也一直比较大。当然,随着技术的不断进步、固态电池商业化的落定,成本有望进一步降低。


千亿市场争夺赛开启


虽然目前没有实现大规模商业化,但是全球预计今年准固态锂电池会实现产业化,到2025年全固态锂电池将最终实现产业化。根据相关机构预测,全球固态锂电池的需求量在2020年、2025年、2030年分别有望达到1.7GWh、44.2GWh、494.9GWh,2030年全球固态电池市场空间有望达到1500亿元以上。


目前,固态电池市场的竞争主要集中在欧美、日韩、中国这三大区域。


欧美方面,车企对固态电池初创企业关注度较高,大众投资的QuantumScape就是例子。此外,车企会通过收购、投资在固态电池领域中衍生的初创企业如Solid Power、SolidEnergy Systems、Ionic Materials等等。


其中,Solid Power在去年4月与福特汽车公司合作,开始研发下一代电动汽车全固态电池。今年10月,已经生产出第一代全固态电池(ASSB)原型产品。Solid Power透露将在2021年开始销售全固态电池。


日本方面,在固态电池上的研发起点相对较早。据报道,最早入局的是丰田,2008年就与固态电池创企伊利卡(Ilika)展开了合作,2019年初,宣布与松下合作。近日,丰田方面也有消息称,希望成为全球首家量产搭载固态电池汽车的厂商,将于明年推出原型车,在2021-2030这个十年的初期开始面向市场销售。据了解,汽车搭载以后充满电只需要大约10分钟,相比于传统电动汽车缩减了至少三分之二。


此外,布局固态电池行业还有三菱、日产、松下等企业。其中,日产汽车也计划打造自己的固态电池汽车,希望在2028年前推出实车。需要注意的是,据消息报道,目前三井金属将建立了试验厂房,在固态电解质方面预计明年能年产数十吨。不仅如此,固态电解质生产设备也有了动静,本石油公司出光兴产已经部署,希望明年开始运营。


韩国方面,目前最出名的就是LG化学、三星SDI和SKI。


固态电池获突破,千亿市场争夺战一触即发


12月1日,LG电池事业分拆完成,LG Energy Solution(LG能源解决方案)正式成立。LG能源解决方案表示,将加速全固态电池和锂硫电池等新一代电池技术的开发,制定战略实现可持续增长引擎。


今年3月,三星高等研究院与三星日本研究中心在《自然·能源》发表论文称,公司新研发的全固态电池能够实现900Wh/L高能量密度、1000圈以上长循环寿命,电池一次充电后可驱动汽车行驶800公里。


而今年8月,SKI联手98岁诺奖得主古迪纳夫及其团队研究助理哈迪·汉尼(Hadi Khani),继续开发下一代电池技术。


据悉,在2018年11月,韩国三大电池企业LG化学、三星SDI和SKI就组成联盟,共同开发包括固态电池的下一代电池核心技术。而现在各自也一直在深耕研究。


国内来看,宁德时代、国轩高科、蜂巢、赣锋锂业、天齐锂业、辉能、珈伟新能等锂电企业,以及比亚迪、蔚来、北汽集团、长城汽车等车企皆有参与固态电池研究。


其中,国轩高科徐兴无在今年9月也表达了公司在固态电池方面的布局,表示两年内引入相关技术,2022年开始进行固态电池技术的迭代升级,生产高安全固态电池;2025年后生产出能量密度超过800Wh/L、超过400Wh/kg、循环800次的全固态电池。


今年7月赣锋锂业在互动平台上表示,第一代2亿瓦时的固态电池中试线已经顺利投产,产品性能全面达到公司固态电池研发团队研制样品的水平,目前正积极与车厂客户对接固态电池的上车合作事宜。


同在7月,搭载清陶固态电池系统的纯电动样车在北汽新能源完成调试,成功下线,据了解,清陶第I代固态电池系统已经初具量产可行性,其总投资55亿,年产10GWh宜春清陶固态动力锂电池项目(一期)已经投产。


当升科技2019年底曾表示,公司固态锂电材料已对国内外多个客户送样,产品性能获得广泛认可,目前正根据客户反馈和需求进行后续研究开发。


总结


虽然,目前行业观点认为固态电池距离商业化仍有距离,但从海外各家企业实验与中试产品来看,固态电池能量密度优势已开始凸显,明显超过现有锂电水平,未来随着产业投入逐渐加大,产品性能、成本等问题也会迎“刃而解”。


“时势造英雄”,一切交给“时间”。

来源:全国能源信息平台

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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