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发表时间: 2024-08-01 13:33:42
《吃的真相》作者。“在实验室里研究做饭以养家糊口”,在媒体上介绍“吃的真相”以传播科学。
充电10分钟,续航超1000公里——丰田多年来屡屡说起固态电池,而每当提到固态电池,丰田就用这两个数字描绘美好画面。
▲在6月28日的广汽丰田科技日上,固态电池再放风声。
天热不怕燃,天冷跑得远,重量减一半,寿命再翻番……传说中的固态电池就是这么优秀,简直完美治愈困扰电动汽车的各种焦虑。
各厂商时不时曝一个量产消息,仿佛捷报频传,固态电池呼之欲出。在这个节骨眼上买电动车,要不要再等等看?万一固态电池车突然就上市了呢?
液态、半固态、固态
谁掌握了固态电池,就掌握了电动汽车的未来和流量密码,于是,总有厂商忍不住来个大鸣大放。比如4月份上汽集团旗下的智己汽车就宣布:
“智己L6 Max光年版车型搭载了第一代光年固态电池”、“实现超1000公里的CLTC续航里程”、“充电12分钟续航就能增加400km”。
▲智己汽车4月份宣布“行业首个固态电池”将量产装车。
但事后证明这只是虚晃一枪,所谓“光年固态电池”,只能算“半固态”。
固态电池的“固态”,是指电解质是固体。
锂电池的电芯有正极和负极,正负极之间是电解质。正负极就是锂离子的两个家,充放电的过程,就是锂离子穿越电解质,在正负极之间来回搬家。
▲锂电池靠锂离子的移动实现充放电。
目前的锂电池中,电解质都是液体(电解液),所以叫液态电池;近来一些厂商又陆续推出电解质是果冻状、凝胶状的电池,这种叫“半固态”;如果电解质是固体,那就是固态电池。
▲固态电池中的电解质是固体(图据日经中文网)。
根据液态电解质在电池材料中的质量百分比含量,业界把锂电池分了4种:液态(25%)、半固态(5%~10%)、准固态(0~5%)和全固态(0%)。
智己汽车的“光年固态电池”据称是用了固态电解质,但又往里边加了点“料”,即10%的润湿剂。这样一来,电解质就成了黏黏糊糊的“半固态”。至于为什么加料,无非是搞成全固态还有一些难以克服的技术难题。
固态电池有多好?
液态锂电池已经很成熟,近10年来,能量密度提升了3倍,成本降了80%以上。
动力电池是电动汽车上最贵的部件(约占整车成本三、四成),液态锂电池已经能支撑起500公里以上的续航,价格也实惠,电动汽车走向普及,液态锂电池(三元锂、磷酸铁锂电池)立下首功。
1991年,日本的索尼公司首先实现了锂电池的商用。此前充电电池的主流是镍氢电池,相比之下,锂电池能量密度更大,而且没有“记忆效应”,索尼最早在摄像机、手机等便携式电子设备上使用这种新型电池。
▲锂电池最早用在便捷式电子设备上。
又过了十多年,日产等公司尝试把锂电池作为汽车的动力电池。锂电池容量大、输出功率高,但热稳定性差,容易起火爆炸,用在汽车这样的交通工具上,有安全隐患。
近20年来,研究人员花了大量心思改进锂电池的安全性,从正负极材料、电解液配方、电芯结构、电池包设计、热管理系统等等方面多管齐下,电池自燃的风险已经大为降低。诸如刀片、麒麟、弹匣、神盾短刀之类,技出多门,各有所长。
不过,电解液的主要成分是有机溶剂,终究是一种易燃易爆物。固态电解质里不含易燃物,能从根子上除去隐患。
固态电池的电解质不易燃、不挥发、耐高温,安全性天生好。而且它还把正负极“硬性隔离”,不容易短路。
电解质是固体,就能用上锂金属之类活性物质更多的负极材料,大幅提高储电能力;又不像电解液那样需要坚固的密封外壳,还能轻量化。
锂离子在电解液中来回移动时,如同游泳;而在固态电解质中则如同奔跑,速度能显著提升。锂离子跑得快,直接的好处就是:充放电速度更快。
▲固态电池在安全、轻量化等方面优势明显(图据日经中文网)。
不仅如此,电解液在低温下会变得粘稠,锂离子来回“游动”时阻力变大,所以现在的锂电池在冬天性能明显下降。固态电解质则不惧严寒,冰天雪地里工作状态一如往常。
电解液在充放电时会缓慢分解老化,而固态电解质非常稳定,电池寿命更长。
目前主流的磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下,三元锂电池的能量密度在250-300Wh/kg之间,全固态电池则有望达到500Wh/kg以上。
安全、容量大、充电快、轻量化、寿命长……如此种种好处,方方面面碾压液态锂电池,因此,固态电池被行业公认是“最有潜力的下一代电池”。
量产有多难?
正所谓好事多磨,固态电池固然好,但从实验室走出来变成商品,何其艰难。
“液态电解质”变“固态电解质”,只一字之差,从技术上看却不啻天壤之别。
在两种电解质中,锂离子的运送机制完全不同。早在1970年代,研究人员就开始寻找合适的固态电解质,由于离子电导率低(通俗地说,锂离子在里边跑不快),一直达不到实用要求。忙活了近40年后,2011年,东京工业大学特聘教授菅野了次发明了硫化物电解质,电导率才赶超液态电解质。
从此,全球掀起新一波固态电池研发热潮。
又是十几年过去了,固态电池研究依然在实验室里打转转,商用化的时间,只是各厂商高管们用嘴吹出的一个个泡泡。
固态电解质还有聚合物、氧化物等多种技术路线,硫化物目前被认为最理想、最有前途。但电池从液态变成固态,有太多的坑需要一个个踩平。
目前最大的坑是“固固界面”问题。液态锂电池的正负极浸泡在电解液里,不存在接触不良;而全固态电池的电解质、正负极全是固体,充放电时会膨胀收缩,搞不好彼此之间就闹分裂,一旦出现裂缝,锂离子流动之路就被切断,电池就废了。
▲保持“固固界面”紧密接触是一个技术难题。
所以,要找到合适的材料配方,让固态电解质具备一些柔韧度,能随时紧密贴合正负极。这种事儿有点像炼仙丹,光靠技术还不行,还有一定的运气成分。
另一个坑是正负极材料问题。全固态电池要提升能量密度,必须选用新的正负极材料,比如可以用金属锂作为负极。但新材料哪里是说用就用的,材料一换,一堆难题跟着就来了。
等电解质、正负极全研究明白了,也不过是商业化之路上刚迈出第一步。技术上能走通,还要看能不能批量生产;能批量生产,还要看能不能以合适的价格卖出去。
某些厂商的高管时常口吐莲花,制造固态电池很快就要量产装车的幻觉,实际上,全球固态电池行业当下仍困于实验室,还在基础材料层面探索合适的解决方案。
量产?至少现在看还困难重重。
普及还要等多久?
今年以来,不时听到有厂商放出全固态电池量产时间节点,比如,上汽和广汽都表示将于2026年量产。
▲广汽宣布固态电池将于2026年装车。
不过,这都属于“预计”,很难说靠谱程度有多高(或者说,你不知道他们究竟会推出什么样的“固态电池”)。
从各大动力电池制造商、汽车厂商公布的固态电池预计量产时间来看,集中在2027年到2030年。我们可以选择两家相对靠谱的厂商来看看具体情况。
先看宁德时代。
宁德时代是全球最大的动力电池制造商,在固态电池研发方面已有10余年积累。宁德时代首席科学家吴凯近期说:
“2027年,宁德时代全固态电池小批量生产机会很大,但受成本等因素制约,大规模生产尚不能实现。”
吴凯表示,如果用技术和制造成熟度作为评价体系(以1-9打分),宁德时代的全固态电池研发目前处于4分的水平。宁德时代的目标是到2027年达到7-8分的水平。
再看丰田汽车。
丰田是全球最大的汽车制造商,早在2006年就开始全固态电池研发,也是全球手握固态电池专利数量最多的企业。
▲固态电池专利申请数量全球前十企业(图据日经中文网)
丰田社长佐藤恒治表示,丰田的固态电池在实验室研发取得一定进展,现在“正以2027-2028年推出产品为目标全力推进研发”。
乐观地估计,在2027年前后会有装备固态电池的汽车出现在市场上;但什么时间能够实现大规模生产和销售,尚有众多难题待解。
除技术外,另一个巨大的障碍是固态电池成本高得吓人。
据日本科学技术振兴机构的估算,全固态电池的生产成本达到液态锂电池的4~25倍。
这也意味着,即便三四年后有固态电池汽车上市,也只有极少数人买得起。
假如5年为一个换车周期,对于普通人来说,再换两次车后,固态电池车的价格也许能降到大家可以接受的水平。
10年,想换车的你等不起。在此之前,倒是可以期待一下“半固态”。半固态电池中的电解液用量减少,安全性和能量密度都有提升——但“半固态”和“全固态”之间还隔着深深的技术鸿沟。
“半固态”电池在技术上比较成熟,已经具备量产条件,现在的问题是价格太高。蔚来总裁秦力洪曾透露,蔚来150度半固态电池包的成本相当于一辆ET5,大概在30万左右——你觉得再过5年,半固态电池的价格能降到现在锂电池的水平吗?
转载自傅雪峰微信公众号