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蔚来明年量产,宁德时代还需十年:揭秘固态电池量产之谜

2021/1/22 10:03:26 来源:互联网 编辑:匿名

编者按:本文来自微信公众号“车东西”(ID:chedongxi),作者:Juice,编辑:晓寒,36氪经授权发布。

就在最近一两周,电动汽车实现1000公里续航的口号成了行业热点话题。

蔚来、智己、广汽等车企先后表示有方案可实现上述目标,包括了固态电池、硅负极电池等等。其中最引人注目的,自然就是代表了动力电池未来的固态电池技术了。

传统车企的领头羊之一,丰田汽车在不久前也宣布将在今年实现固态电池的小批量量产。有了固态电池的加持,仿佛电动汽车技术就站在了实现突破性进展的前夜,在续航上分分钟可以打败燃油车型。

但固态电池技术真的已经到了量产的前夜了吗?蔚来喊出2022年量产的底气来自哪里?动力电池企业们对固态电池的量产时间表,又有着怎样的预期呢?

带着这些问题,我们和动力电池领域的从业者和技术专家进行了交流,发现事实远没有这么乐观。

在今年的蔚来NIO Day上,蔚来发布了多款重磅产品,除了被视为下一代旗舰的蔚来ET7,李斌还在发布会上发布了一款150kWh大号电池包。

根据蔚来方面的介绍,这款电池将会是固态电池,采用原位固化固液电解质、无机预锂化硅碳负极、纳米级包覆超高镍正极,电芯的能量密度达到了360Wh/kg,而现阶段能量密度最高的NCM811电芯大概在270Wh/kg左右。


▲蔚来发布150kWh固态电池

在采用了这款电池包之后,2018款ES8的NEDC续航里程将会达到730公里,全新ES8的NEDC续航里程将会达到850公里。ES6的高性能版本的NEDC续航里程将会达到900公里,EC6的高性能版本的续航里程为910公里。

在发布会上刚发布的新款车ET7在采用了这款电池包之后,NEDC续航里程将会超过1000公里,这意味着这款车将会成为现阶段续航最长的电动汽车。


▲新电池可全面提升车辆续航

在发布会之后,率先引起用户讨论的并不是这款车的性能如何,而是蔚来表示将会在2022年第四季度量产固态电池这件事。随着讨论的发酵,也固态电池再次成为了行业的热点之一。

而在去年年末,《日经新闻》报道,丰田计划在2021年首次亮相其搭载了固态电池的量产车,也曾引发过关于固态电池的讨论。


▲《日经新闻》报道丰田将会在2021年推出固态电池量产车

连续两个关于固态电池的量产规划让固态电池的量产似乎出现了曙光,而固态电池上车,并且让车辆的续航突破1000公里似乎已经完全不是问题了,电动车全面代替油车的时代似乎已经到了。

但事实真的是这样吗?蔚来为何能突破行业平均水平,提前量产?带着这两个问题,车东西和动力电池领域从业人员进行了一些交流,得出了一些新的认识。

要知道蔚来为何能够提前量产固态电池就首先要明确固态电池的两种形式,一种是半固态电池,电解质为固液夹杂;另一种是全固态电池,电池的电解质完全为固态,也就是更多人理解中的固态电池。

蔚来本次发布会上所发布的固态电池属于前一种,即半固态电池,并非公众理解中的固态电池。蜂巢能源的技术支持总监林育民告诉车东西,半固态电池并不是很先进的技术,蜂巢能源今年电池日活动上发布的果冻电池就已经是半固态电池了,蜂巢能源今年能具备量产的条件。


▲蜂巢能源发布的果冻电池就是半固态电池

林育民表示,在现阶段的NCM 811电池的基础上,往负极材料上掺加硅碳元素,就能生产出半固态电池,从技术上来看完全可行。

半固态电池最大的优点就是能量密度更高,电芯能量密度做到300Wh/kg左右完全没问题,这样做的好处是,可以让电动汽车携带更多的电池。

他还表示几年前这项技术就已经有了,但当时材料的成本都比较高,如果生产出150kWh的电池包,那么只有售价超过百万的车型才能够使用。

而且早些年,国内电动汽车的补贴政策比较明确,电池企业也在这个政策下进行生产,明确来讲就是,政府对电池的补贴要求是什么,电池企业就生产什么样的电池。车企这边也是同样的道理,政府补贴对续航的要求决定了车辆的续航里程。

近些年,材料成本不断降价,生产更大容量的电池变得更加可行,再加上蔚来汽车的售价平均都在40万上下,电池成本对整车售价影响不算太大,蔚来在此时推出这种电池也合情合理。


▲蔚来在NIO Day 2020发布150kWh电池

在使用寿命上,这种电池也完全能够满足用户的需求。举个例子,电动车使用最多的场景主要是平时的上下班,而上下班的通勤距离一般都不会太远,夸张来说,假如用户上下班的通勤距离有100公里,那么充一次电,车辆也足以使用一周。

做个简单的乘法题,充一次电可以使用一周,一年仅需要充电52次,那么十年,电池也就循环了500多次,也就是50万公里的续航距离了。

林育民表示,这个循环数据对于液态电池或是掺硅碳电池(半固态电池)来说完全不成问题,掺硅碳电池在硅碳含量达到10%左右的时候,循环寿命可以实现700次以上,甚至突破1000次都可以实现。

但这种大电池包也并非完全没有缺点,更大的容量意味着电池的充电时间会变得更长,目前公共充电桩的功率大部分都维持在30kW~60kW之间,在这种充电桩下,150kWh的电池包完全充满电理论上需要2.5~5个小时。

而用户家里安装的家充的功率则在10kW左右,这就意味着采用家充的话,可能需要十几个小时才能够将电池充满。


▲蔚来家充桩

目前蔚来正在全国积极建设换电站,采用换电模式后,用户直接开车过来换电就行,而电池包的充电则是蔚来换电站的工作。

可能正是出于这个目的,李斌在NIO Day上表示,将会在2021年在全国建成500座换电站,而2022年这一数据还会继续增加,届时,蔚来再推出150kWh电池包在充电方面也会有一定的保障。


▲蔚来第二代换电站

北京某研究所电池技术专家高晨(化名)也向车东西表示,目前在用于电动汽车的固态电池领域,先推出半固态电池也不失为一个实现快速商业化落地的好方法。

既然蔚来要推出的固态电池并非是全固态电池,那么全固态电池究竟要到什么时候才能大规模商用呢?

关于这个问题,车东西也得到了几个答案,高晨表示,动力电池的大规模上商用至少要到5年之后,而此前国轩高科高级副总裁徐兴无和欣旺达副总裁梁锐也曾传递了相似的看法。

丰田虽然要在今年推出固态电池车型,但是官方也表示将会在2025年实现量产,宝马此前曾宣布将会在2026年量产搭载固态电池的电动汽车,而宁德时代更是认为要到2030年才能大规模量产完全固态电池。

虽然各个企业表达的时间点并不一致,但是不难发现,整个行业内均认为至少要到2025年之后才能推出完全固态电池。

那么固态电池的量产难度究竟在哪里呢?为何研发进度如此缓慢呢?


▲锂电池技术路径演变

一位动力电池从业人员告诉车东西,目前固态电池的难点在于电解质导电性太差和界面电阻太大。化学反应所选择的介质通常会选择液体,这是因为离子在液态的物质中更容易移动,也更容易发生反应。

固态电解质的第一大技术难点就是锂离子的迁移效率,这直接影响了固态电解质的离子电导率。据了解,目前绝大多数的固态电解质的离子电导率在10^-7—10^-2 S/cm之间,而目前三元锂电池所使用的液态电解质的离子电导率为10^-2 S/cm,绝大多数固态电解质的离子电导率低于液态电解质,影响了固态电池的实用性能。


▲传统电池(左)与固态电池(右)结构原理图对比

林育民也表示,现在主要就是在材料上无法进一步突破,现在国内外的电池企业无论走哪条路线来做固态电池在材料上都有问题。

另一个问题出在固态电解质与电极的接触上,液态电解质可以最大限度地与电极保持接触,而固态电解质与电极之间很难做到完美贴合,如此一来,电极与电解质之间的界面阻抗就会上升,同样影响固态电池的实用性能。

高晨认为这也是非常关键的一个问题,在液态电池里,界面主要是液态和固态组成,而固态电池则是固态和固态的界面,所以界面的组成本身材料形态、物质组成都发生了根本性的变化,很多问题都是固固界面的接触引起的。

在技术方面,液态电池的生产工艺比较成熟,是采用涂布的方式,把不同的材料压在一起,然后把液态电解质注射进去,达到均匀分布。而固态电池不能按照这种方式来生产,需要发展全新的工艺,实现固态电解质、正极材料和负极材料良好的接触,达到像固体和液体这样包覆性的接触。

据了解,现在学界与业界在固态电池领域已经摸索出了三条较为可行的技术路线:聚合物电解质、无机氧化物电解质以及无机硫化物电解质,但这三条路线也各有各的优缺点。

在聚合物电解质方面,材料主要有聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等。高晨介绍,这种聚合物的优点在于比较柔软可以做凝胶状态,具有一定的柔韧性。

但这种电解质的缺点在于导电率过低,比现在液态电解质的导电率低了四到五个数量级,所以在实际应用中,会产生不少的影响。而制备出的聚合物电解质难以避免含有少量水分,同时聚合反应不够彻底等,都会对电池性能造成较为明显的负面影响。

在无机硫化物电解质方面,材料主要有Thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等。据高晨介绍,最好的硫化物电解质的导电率已经可以跟液态电池持平的水准,但硫系电解质还存在一系列的问题。

这种材料耐高压方面比较差,跟水分接触,容易发生负反应,生成有毒的、易燃易爆的硫化氢气体,这个固有的问题阻碍了现有的硫化物固态电池的发展。此外,现有电池的制备工艺是基于湿法的制备方式,很难避免跟水分的接触。

在无机氧化物电解质方面,主要材料有薄膜型(LiPON)、非薄膜型(LLZO)。高晨表示,这类电解质跟液态电解质的导电率差距已经不是很大了,相对比较容易实现,并且这种材料对环境的要求比较低。

但这种材料的柔韧性比较差非常坚硬,会带来一个很大的问题,界面接触会比较差,直接导致界面阻抗增加,用现有的生产方式很难降低界面阻抗。

就算解决了固态电池的材料问题,在量产方面也面临着大规模量产和降低成本方面的问题。

林育民表示,在电解质之外,电池的一致性也非常重要,目前电池企业在生产液态电池的时候,都在追求产品的一致性。但液态电解质可以自由流动,而固态是固定的不能流动,做不均匀,一致性会差于液态电池。


▲液态电池的辊压工艺

高晨告诉车东西,现阶段的电池生产工艺在固态电池领域完全不适用,要大规模生产固态电池还需要创新生产工艺。

在这里面主要有两个问题需要解决,一个是提升电池的生产效率,在上世纪90年代已经有小型的固态电池开始生产了,但是那时的电池体型比较小而且生产效率比较低。

另一个则是降低成本,只有解决了这两个问题才能实现产品的大规模商用。

这主要跟固态电池的技术成熟度有关,如果技术路线已经快速确定下来了,那么产线的搭建就会非常顺利。随着大规模生产,固态电池的成本也将会降下来。

今年开年,汽车领域的讨论点都集中在了动力电池行业,固态电池、石墨烯电池纷纷亮相。而固态电池这一平静的领域也重新火热了起来。

但是蔚来一直对外宣称的固态电池却并不是真的纯固态电池,而是半固态电池,根据行业人士介绍,半固态电池在技术上的突破性并不是很大,距离纯固态电池也还有一定的差距。

纯固态电池目前仍然存在电解质离子电导率低、高界面阻抗的问题,就连业内摸索已久的三条可靠技术路线也还存在不小的问题。即使解决了材料方面的问题,电池的一致性、生产方面的问题也会出现。

总的来看,固态电池仍然是最理想的电池形态,但是在现阶段要实现量产仍然是苦难重重。

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