不斷“跳票”的固態(tài)電池，誰能率先拿下？
時(shí)間:2023-06-15 08:42來源:汽車預(yù)言家 作者:趙嘉琪
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長(zhǎng)期以來，基于能量密度、安全性能等優(yōu)勢(shì)，固態(tài)電池被視作下一代電動(dòng)汽車發(fā)展的“終極解決方案”。對(duì)此，中科院院士歐陽(yáng)明高教授曾公開表示：“在現(xiàn)有的各種探索中，最有可能成為下一代動(dòng)力電池的就是固態(tài)鋰電池。”
不過，理想豐滿，現(xiàn)實(shí)骨感。就目前來看，固態(tài)電池在實(shí)驗(yàn)室與量產(chǎn)之間仍然存在著一條看不見摸不著的“天塹”。即便是擁有1300多項(xiàng)相關(guān)專利、一向被視為固態(tài)電池“優(yōu)等生”的豐田也不得不一再“跳票”。
2012年，豐田在世界范圍內(nèi)首次發(fā)布了硫化物固態(tài)電池，引發(fā)行業(yè)震動(dòng)；2017年，豐田宣布將在2020年初開始生產(chǎn)固態(tài)電池，并于2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；然而時(shí)間來到2021年，豐田迅速更改口風(fēng)，在“2030年電池戰(zhàn)略會(huì)”上表示，其在全固態(tài)電池方面“進(jìn)展并不樂觀”。
近日，豐田在一次技術(shù)說明會(huì)上發(fā)表了戰(zhàn)略規(guī)劃，稱將最早于2027年向市場(chǎng)投放配備全固態(tài)電池的純電動(dòng)汽車。此前，日產(chǎn)也提出到2028年度將配備自主開發(fā)的全固態(tài)電池的EV推向市場(chǎng)；寶馬則計(jì)劃在2025年之前公開搭載全固態(tài)電池的實(shí)證車輛，2030年之前量產(chǎn)。而這些看起來仍相對(duì)保守的數(shù)字也再度引發(fā)了行業(yè)內(nèi)有關(guān)固態(tài)電池“量產(chǎn)難”的討論。
1
固態(tài)電池量產(chǎn)的三道坎
在回答這個(gè)問題之前，我們首先要弄清楚的是：固態(tài)電池好在哪里？
根據(jù)電解質(zhì)的形態(tài)差異，可以將鋰離子電池分為液態(tài)電池和固態(tài)電池。其中，液態(tài)電池是當(dāng)前新能源汽車市場(chǎng)最主要的“玩家”。然而，隨著科技的快速發(fā)展和消費(fèi)者對(duì)于電池容量、續(xù)航里程要求的不斷提高，液態(tài)電池已經(jīng)多少開始“力不從心”了。
對(duì)此，寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱曾表示，過去十年，液態(tài)鋰電池的能量密度已經(jīng)提升了2-3倍，目前已經(jīng)接近理論上限。在不更新材料的前提下，液態(tài)鋰電池很難再取得新的突破。
而不同于液態(tài)電池由液體組成的電解質(zhì)，固態(tài)電池的電解質(zhì)為固態(tài)，不僅能量密度更高，其電化學(xué)性能也更加穩(wěn)定。反映到具體表現(xiàn)上，不僅充電時(shí)間短，還能夠?qū)⒗m(xù)航里程提升至新的維度。因此，固態(tài)電池成為“全村的希望”也就不奇怪了。
不過希望歸希望，對(duì)于固態(tài)電池的商用化，行業(yè)內(nèi)仍然保持著較為保守的預(yù)期。在不少業(yè)內(nèi)人士看來，全固態(tài)電池至少需要5-10年才能夠完全具備商業(yè)化條件。至于背后的原因，一個(gè)基礎(chǔ)的共識(shí)是：成本太高。這也是固態(tài)電池量產(chǎn)所面臨的第一道坎。
據(jù)日本專業(yè)機(jī)構(gòu)估算，全固態(tài)電池（硫化物類）的制造成本為每千瓦時(shí)6萬～35萬日元，相當(dāng)于比現(xiàn)有鋰離子電池（1萬4000日元）高4～25倍。韓國(guó)新能源研究機(jī)構(gòu)SNE報(bào)告也曾指出，即便到了量產(chǎn)階段，全固態(tài)電池的成本至少也是鋰離子電池的2倍。
換句話說，即便能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，固態(tài)電池也難以具備與液態(tài)電池掰手腕的能力。尤其是對(duì)于越來越追求極致性價(jià)比的主機(jī)廠而言，最后看重的還是成本。
同時(shí)，在技術(shù)方面，固態(tài)電池仍然存在著許多難點(diǎn)，例如，由于固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于液態(tài)電解質(zhì)，電池內(nèi)阻增大、電池循環(huán)性變差、倍率性能變差等問題都難以短時(shí)間內(nèi)得到解決。
此外，從企業(yè)端來看，發(fā)展固態(tài)電池同樣是一個(gè)大工程，不僅意味著成本管理的重新考量，更重要的是整個(gè)供應(yīng)鏈條、生產(chǎn)線的重新來過。在全固態(tài)技術(shù)尚未成熟、形成確定性的發(fā)展前景之前，企業(yè)們很難下定決心。
基于這些困境，已經(jīng)有不少企業(yè)率先嘗到了失敗的滋味。2021年，曾經(jīng)信誓旦旦表示固態(tài)鋰電池會(huì)在2023年量產(chǎn)的美國(guó)電動(dòng)汽車公司Fisker，宣布徹底放棄固態(tài)電池計(jì)劃，原因是無法落地；而另一家成功將固態(tài)電池規(guī)模化運(yùn)作的法國(guó)公司博洛雷，其固態(tài)電池能量密度僅有100Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于市場(chǎng)預(yù)期。2019年，這一項(xiàng)目正式宣布破產(chǎn)。
2
三種技術(shù)路線之爭(zhēng)
從另一面相來看，當(dāng)前固態(tài)電池的技術(shù)路線不統(tǒng)一且彼此之間協(xié)同性弱，或許也是阻礙固態(tài)電池發(fā)展的又一難題。
一般來說，研究固態(tài)電池的主流路線主要有三條：聚合物、氧化物和硫化物。三條路線各有優(yōu)劣，如硫化物的電導(dǎo)率與液態(tài)電池不相上下，但相對(duì)來說穩(wěn)定性較差；氧化物路線熱穩(wěn)定性較好，但抗還原性、物理性較弱；而聚合物的抗還原性和物理接觸型較好，相對(duì)應(yīng)的，電導(dǎo)率就會(huì)弱一些。
其中，硫化物路線是公認(rèn)研發(fā)難度最高，也是性能表現(xiàn)最為優(yōu)異的一條。一旦形成突破，將會(huì)對(duì)動(dòng)力電池的進(jìn)步產(chǎn)生較大的影響。這一次豐田的技術(shù)說明當(dāng)中，就是針對(duì)硫化物電解質(zhì)的耐久性課題進(jìn)行解答，解決了固態(tài)電池?zé)o法長(zhǎng)期充放電的短板。
從全球范圍內(nèi)來看，豐田、LG、三星、寧德時(shí)代等頭部固態(tài)電池玩家均在硫化物固態(tài)電解質(zhì)路線上深耕。而國(guó)內(nèi)和歐美等國(guó)家廠商則以氧化物、聚合物路線為主，其中氧化物率先通過半固態(tài)電池上車。
總的來說，固態(tài)電池本質(zhì)上還是技術(shù)路線之爭(zhēng)，三者之間很難說誰是最終的“贏家”，也還沒有出現(xiàn)一個(gè)確定的答案。與此同時(shí)，從當(dāng)前市場(chǎng)情況來看，三條技術(shù)路線的合力也沒有得到展現(xiàn)。
在亞太材料科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀看來，如何在多條路線并行的同時(shí)，制定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行引導(dǎo)，促進(jìn)三條技術(shù)路線的復(fù)合應(yīng)用，均衡彼此之間的優(yōu)劣勢(shì)，或許是一個(gè)可行的方案，也能夠讓行業(yè)走得更快速、更健康。
3
從半固態(tài)走向全固態(tài)
面對(duì)固態(tài)電池愈加迫在眉睫的商業(yè)化難題，相比于國(guó)外的企業(yè)，國(guó)內(nèi)的廠商們更顯示出一種來自古老東方的神秘智慧——“折中”，走出了一條從準(zhǔn)固態(tài)、半固態(tài)到全固態(tài)的漸進(jìn)式發(fā)展路線。
其中，衛(wèi)藍(lán)新能源、SES、浙江鋒鋰等電池廠商都可以看作是從全固態(tài)轉(zhuǎn)向半固態(tài)的典型代表。以衛(wèi)藍(lán)新能源為例，今年3月，衛(wèi)藍(lán)新能源首席科學(xué)家、創(chuàng)始人李泓曾透露，衛(wèi)藍(lán)新能源開發(fā)了一款混合固液電解質(zhì)動(dòng)力電池，將在蔚來ET7車型上量產(chǎn)應(yīng)用。據(jù)了解，其單次充電1000km，電池包電量達(dá)到150kWh，單體能量密度達(dá)到360Wh/kg。
此前寧德時(shí)代在上海車展中正式亮相的凝聚態(tài)電池，事實(shí)上也可以看作是一種半固態(tài)電池，其單體能量密度達(dá)到500Wh/kg，遠(yuǎn)超現(xiàn)有主流液態(tài)電池的能量密度。只是，相比于液態(tài)電池，凝聚態(tài)電池的成本依然偏高。
此外，還有一些廠商選擇了“兩條腿走路”，既布局半固態(tài)電池，又不放棄對(duì)于全固態(tài)電池的研發(fā)。
以寧德時(shí)代為例，雖然其主要陣地仍在液態(tài)電池，在半固態(tài)電池上的聲量也相對(duì)較大，但其在固態(tài)電池上仍保持著較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。2021年5月，寧德時(shí)代就曾表示，已經(jīng)可以完成固態(tài)電池的樣品；今年1月，天眼查顯示寧德時(shí)代新增了兩項(xiàng)有關(guān)固態(tài)電池的專利，分別為“一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法”和“一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)片及其制備方法”，表明了其在固態(tài)電池領(lǐng)域的絕對(duì)地位。
當(dāng)然，也有一部分企業(yè)選擇硬剛，all in固態(tài)電池。如比亞迪有著一支專門研發(fā)電池的團(tuán)隊(duì)，在固態(tài)電池、鈉電池等技術(shù)路線開展研究。只是，相比于前兩者，這條路顯然更加難走。
必須承認(rèn)，在從半固態(tài)電池向固態(tài)電池過渡的過程中，技術(shù)與商業(yè)的交織和沖突不可避免，成本與性能的需求難以兩全，在這個(gè)過程中，誰能夠率先跑通，無論是對(duì)于企業(yè)自身而言，還是整個(gè)行業(yè)而言，都是一個(gè)可喜的信號(hào)。
文章標(biāo)簽：
固態(tài)電池
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