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【汽车人◆动力电池系列④】固态电池——长期看好,短期没戏?1kh

2015-09-22 09:46:13 寒假日记来源:http://www.mapets.cn 浏览:

当前,固态电池的几个电解质方案,没有优势技术路线脱颖而出。如果两年内不能进入小规模试制生产,考虑到生产线建设周期,2025年大规模商业生产的预测,就注定落空。

文/《汽车人》黄耀鹏

在电动车供应链里面,按照分类,动力电池是价格最昂贵的配件。这一年多的时间里,动力电池供不应求,某种程度上进入了买方市场。

整车企业都对电池供应产生了一些焦虑情绪,在供货谈判中,甚至出现了电池企业主导协议进程的情况。

但是长期而言,就像市场需求主导产业一样,整车企业作为系统集成商,对电池发展节奏和方向,仍然拥有足够的话语权。所有电池供应商和相当一部分主机厂,投资固态电池研发的理由,源头就是市场需求。用户对安全和续航的需求,一直延伸到技术路径的选择上。

固态美好,半固态很尴尬

当前技术水平,液态锂电池单体能密最高可达300Wh/kg;算上PACK结构件后,能密180Wh/kg就很不错了。业内普遍对液态电解质电池能密突破天花板信心不足。业内普遍认为,2025年PACK能密做到400Wh/kg、2030年达到500dcfWh/kg,才能匹配市场需求,当前技术路径几乎不可能。

消费者期待1000公里以上续航、机械撞击安全性,在固态电池上都能找到理论突破口。固态理论能密高达700Wh/kg以上(重量减轻),而且没有液态电解质,意味着不会漏液、爆炸、柔性电解质保证无“枝晶”、上千次充放无衰减。

如此之多的好处,不仅让众多企业趋之若鹜,监管方也对固态作为“下一代电池”解决方案青睐有加。2019年工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,明确把固态电池列为“核心技术”攻关工程。至少表明固态表现出明确的技术潜在优势和商业前景。

今年初,蔚来重申了2022年在首款轿车上使用续航长达1000公里的“固态电池”。实际上,当前普遍使用的锂离子电池,和固态电池(不含液体电解质)之间,还有半固态(液态电解质<10%)、类固态/准固态(液态电解质<5%)两个过渡的技术状态。

蔚来也暗示使用的并非“完全状态”的固态电池,很可能是半固态。蔚来并未透露电池供应商的名字。

如果生产半固态电池,电解质生产至少也要用浸润机替换注液机,新增锂盐和全新合金(包含镧系金属)生产线,生产纳米材料(用于包裹正极),隔膜和外壳生产线可以沿用。这意味着投建新生产线,鉴于工艺不成熟,技术和投资风险很大。这就能解释当前头部电池供应商为何兴趣缺乏。

预测保守派占优

长期合作的宁德时代,其高管声称固态电池“也许在2030年”投入生产。显然,中期内(2025年之前),宁德时代不看好固态电池的商业价值。

目前,大多数沉默的电池供应商,大多同意固态电池不会马上进入商业应用。如果非要给个时间的话,都给到2030年。不仅因为它是个“最近的整数年份”,还因为10年左右的技术预期,能够大致看到。同时它表明,目前量产存在难以克服的困难,也就是“长期看好,短期没戏”。

因为大的电池供应商是既有路径的受益者,所以人们怀疑他们掩盖了一些信息。实际上头部电池生产商也无力排除新技术,只要有一个创业公司或者任何一家企业研发出来可靠的量产技术,就会形成强大的羊群效应。诋毁或者无视,都毫无意义。

创业公司们则把“期望值”调高,乐观的公司将量产时间“定在”2025年。这是可望又可及的年份,意味着技术不存在根本性障碍,工艺技术正在迅速成熟中。而创业公司则是未来路径的可能受益者。他们的说法,也可能掺杂了主观愿望。

随着2021年已经过半,更激进的“2022派”已经迅速解体。这是明摆着的结果,无须多谈。

固态上线,资本信心不足

和固态电池这两年才在评论界火起来相比,拥有信息优势的知识界、产业界,比媒体看得远多了。学术界研究固态电池的历史可追溯到30年前。10年前,固态电池成为产业界主流的研究方向,丰田和大众都是在那时投入研发;而资本驱动的创业企业,自那以后层出不穷。

10年来,有多家固态电池创业公司成立又倒闭,真正能挺下来的不多,因为这些公司无一例外都无法创建正向现金流。去年底美国固态电池创业公司QuantumScape(QS)在纽交所上市,成为固态电池第一股。QS成立于2010年,得到比尔盖茨、施特劳贝尔(特斯拉前高管)的天使投资,大众则是主要投资者和预定的大客户。

但是外界对QS的技术路线知之甚少。对于不断延期的未来技术,资本市场给出了自己的态度,QS股价已经较高点腰斩。

当然,业内也传出来一些相反的消息。有人声称,宁德时代、蜂巢能源、LG化学、三星SDI、松下和索尼都有固态电池“小规模量产能力”。不过,他们无一例外,都没有把如此惊人的消息写到财报里。

“能造出来”和“量产”是两个概念。当前已经有厂家造出续航300公里左右的全固态电池组,电芯造价(不是电池组)就高达370万元人民币。显然,如果即便只是良品率的问题,也需要多次迭代,经历多年才可能达到量产状态。

有学者认为,当前固态电池制造的难点,在于无法同时达致“高能量密度、快速充电、长循环寿命和宽温度范围工作”多重目标。

难以克服的工艺噩梦

就当前生产工艺水平而言,固态电池堪称“工艺噩梦”。

和当前锂电池碳或者合金负极不同,固态电池采用锂金属作为负极。锂的化学性质非常活泼,容易和水、空气发生反应,还不耐高温。令人纠结的是,要改善电解质和电极的界面阻抗,必须在1000度高温下烧结电极材料。两个相反的诉求同时存在,很难平衡。

而薄膜氧化物电解质,目前只有真空镀膜才能保证电解质的均匀性,这大大提升了设备和工艺的要求。

这只是工艺中的一小部分问题。磁控溅射、脉冲激光沉积、真空热气相沉积、3D打印,哪一个都要花大价钱,而且都不适应大规模生产。

一度打算生产电动车的戴森,把希望寄托在Sakti3固态电池上。硫化物电解质对生产环境和使用安全提出了巨大挑战,只要泄露,就会反应产生硫化氢。想象一下,若客户在街上开车碰撞,一股浓烈的臭鸡蛋气味包围车厢和附近的行人,导致人群呼吸道灼伤和公共环境损害。对于厂商来说,是多么可怕的口碑。

旨在隔绝空气的冷压技术生产,又容易产生锂枝晶,导致负极劣化。按下葫芦浮起瓢,又贵又不省心,直接击碎了戴森转型的决心。

工艺不成熟、成本过高的问题,在过去10年锂电池发展的过程中已经通过迭代,得到大幅度的改善,NEDC续航从几十公里发展到700公里。但是,沿着现有路径,固态电池无法通过迭代获得性能改善。

学者们因此对固态电池两三年内从试验室状态走向工厂,也没有信心。即便到了生产端,一轮又一轮的小试、中试,攻克掉诸多生产技术和工艺等方面的难关,才可以最终实现产业化,这又要消耗漫长的时光。

学者们仍然建议工业界把精力花在高镍正极、硅碳负极以及高电压电解液等现实道路上来。有人指出,如果不改变现有正负极体系,单纯把液体电解质更换为固体电解质,是无法从根本上提升能量密度的。有些爆炒固态概念的企业,恰恰是只换电解质,不管正负极。

当前,固态电池的几个电解质方案(聚合物、氧化物、硫化物),没有优势技术路线脱颖而出。此时谈论产业化,是相当可笑的。从此刻算起,如果两年内不能进入小规模试制生产,考虑到生产线建设周期,2025年大规模商业生产的预测,就注定落空。

这对于电池供应商来说,是好消息。因为即便固态量产方案走通,设备几乎要换个遍,目前庞大的固定资产投资,几乎全部要更迭,相当于重建生产线。

目前规划和实施的投建产能,在2025年至2028年到位,在2029年到2032年渐次收回投资。在此之前投入固态,多种技术方案并行、逐步替代,还可接受;在此之前彻底抛弃液态电解质锂电池,不符合电池供应商利益。而当前产业发展的趋势,正让电池供应商放下心来。(文/《汽车人》黄耀鹏)【版权声明】本文系《汽车人》独家原创稿件,版权为《汽车人》所有。

  • · (2021-08-04)
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