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10月9日,為表彰John·B·Goodenough(美國)、M·Stanley·Whittingham(英國)和AkiraYoshino(日本)三位科學家在鋰電池領域做出的重要貢獻,諾貝爾委員會將今年的諾貝爾化學獎頒給了他們。

除了屠呦呦和莫言外,上面這個美國人也應該被記住。第一因為很好記——Goodenough(足夠好);

第二因其在鋰電池研究領域算是開山鼻祖了——其於1980發表的《Solid-SolutionOxidesforStorage-BatteryElectrodes》一文,拉開了鋰電池研發的序幕,可以這麼說,我們日常生活中凡是要用到鋰電池的所有產品無一不巢狀著他的理論。

固態電池

今年這三位科學家在鋰電池上取得的突破,業界認為將加快全固態電池的正式商用程序(至少縮短5年),而全固態電池這一被視為次時代的電池技術,其一旦正式商用或將改變現有汽車市場格局,具體原因車郎中會在下文詳細分析。且在今年國內新能源汽車整體低迷的大背景下,這一訊息讓各大車企、電池企業看到了新的希望。

傳統鋰電池汽車發展受阻,全固態電池研發大勢所趨

儘管諾獎和咱無關,但是不可忽視的事實是:中國、日本、南韓是當下全球鋰電池產業鏈中站在頂端的三個國家(中國目前擁有全球最大的完整的鋰電池產業鏈、全球7成以上的鋰電池產能來自中國、有著以寧德時代、比亞迪為代表的走在行業前列的公司)。

動力電池作為電動新能源汽車的核心零部件,電池的能量密度和規模直接與電動汽車的續航里程成正比,但是傳統鋰電池因其本徵結構(使用液體電解質)存在著致命缺陷:熱失控率高——在受到外部撞擊、劃傷或其他極端情況時易出現短路繼而具有易燃、易爆等特性。

這也是國內新能源汽車銷量逐年增長卻伴隨著安全事故的增加的主要原因(電池自燃佔比事故原因的31%)

國內新能源汽車安全事故年發生次數(單位:例)

國內新能源汽車起火事故原因分佈

頻發的起火事件給新能源車的未來蒙上一層陰影。畢竟相比節能環保而言安全才是使用者最看重的點,如果這點無法保障,必然將失去市場關注,雖然隨著政府層面出臺加強行業監管,企業方也在從各方尋求新突破以解決安全問題。但現實情況是在現有理論和技術下,尚無法完全取代液態可燃性有機電解質的使用,這就意味著電池系統的安全隱患沒有得到徹底根除。

零自燃風險,高續航里程,面對阻礙新能源車未來發展的這兩座大山,下一代鋰電的風口在哪?

回望電池技術發展史,從早期的鉛酸電池,到豐田等日本企主打的鎳氫電池,再到08年特斯拉roaster使用的鋰離子電池,傳統液態鋰離子電池已統治動力電池市場十年。

未來,能量與安全需求與傳統鋰電技術的矛盾將越來越凸顯,在下一代鋰電技術中,關注度最高的當屬全固態電池,目前已引發全球範圍的50餘家企業、機構開始佈局,之所以全固態電池會得到如此之高的關注度是因為全固態電池從理論上來看,上述的熱失控風險、能量問題都能得到完美解決。

首先,固態電池、全固態電池要分清

固態電池發展於20世紀70年代,最早應用於心臟起搏器。現階段市面上所謂的固態電池其實都有液體成分,而且就算是液態佔比達99%,還是會存在熱失控等問題。

真正能解決問題的是全固態電池即100%全固體材料的鋰電池。

全固態電池汽車的優勢

1、電池更薄、體積更小,汽車動力儲存更大

傳統鋰電池受制於工藝的原因,其中的隔膜和電解液就佔據了電池中近40%的體積和25%的品質。

但全固態電池,因採用固態電解質,正負極之間的距離可以縮短到幾到十幾個微米,這樣一來厚度得到大幅降低,在同等空間下全固態電池裝載數量遠大於傳統鋰電池,從而具有更大動力儲存、更大續航里程的優點。

往大了說,厚度薄、體積小這一優勢還可以讓全固態電池適應各種新型小尺寸智慧電子裝置的應用(在厚度達到毫米級以下後還可以柔性化開發,使其成為可彎曲可摺疊的電池膜)而在這一點上傳統的鋰離子電池的技術是很難達到的。

2、更安全

因為傳統鋰電池使用液體電解質,而液體電解質具有易燃、易爆、易揮發的特性,在受到外部撞擊或者其他極端情況時,就會發生電池短路,繼而起火燃燒的特性,無法提供足夠的安全保障。

但全固態電池使用固態電解質沒有電解液具有不可燃、無腐蝕、不揮發的特性,且不存在漏液問題,相較於傳統電池在熱穩定性上有先天優勢,理論上講安全性上,全固態電池汽車可以吊打現有的所有鋰電池汽車。

3、電池能量密度更高,汽車續航更大

與目前市面上的液態鋰離子電池相比,全固態電池除了安全性高外,能量密度高也是其最大的亮點。

能量密度高的核心就是可以不必使用嵌鋰的石墨負極,而是直接使用金屬鋰來做負極,這樣除了減輕負極材料的用量外,還使得整個電池的能量密度有明顯提高,因其負極可採用金屬鋰,電池能量密度有望達到300~400Wh/kg甚至更高,可匹配高電壓電極材料,進一步提升品質能量密度,應用到汽車上將大大提升續航能力(現在許多實驗室中,都已經可以小規模批量試製出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池了一般鋰離子電池是100-220Wh/kg)。

此外,許多新型高效能電極材料,可能之前與現有的電解液體系的相容性並不好,但是在使用全固態電解質後該問題可以得到一定的緩解。除了以上3大優點外,全固態電池汽車還具有:電池迴圈壽命長、工作溫度範圍寬、電池回收方便、可快速充電、生產效率高等優點。

目前全固態電池汽車的技術瓶頸

任何事物都有兩面性,全固態電池雖然有種種優點,但是以現有的技術和理論還不能做到量產商用,主要原因有以下幾點。

1、成本昂貴

全固態電池的實際生產中,具有良好效能的材料成本昂貴,而成本可接受的材料的導電度與穩定性較差。

目前市場上的傳統鋰電池成本大約在200-300美元/千瓦時,而生產滿足智慧手機供電需要的固態電池成本則需要1.5萬美元(按現有技術條件),要生產用於電動汽車的全固態電池,據估算(按現有技術條件)成本費用約為9000萬美元(車郎中反覆確認過資料,並沒寫錯)。

2、技術困難

從電解質上進行劃分,固態電池電解質可分為聚合物型、氧化物型、硫化物型和鹵化物型,在現階段技術條件下各自均有不同的缺點。

以聚合物固態電解質為例,雖然該型別電解質具備較出眾的機械加工效能,但它的問題就是需要加熱到60度,離子電導率才上來,電池才能正常工作。早在2015年法國就已經生產出了聚合物固態電解質鋰電的電動車,該車必須持續性將電動車電池加熱穩定在60-80°C這一區間來維持電池內部的導電能力,最終受制於成本和技術並未量產。

換言之,如何提升固態電解質的電導率,並擴寬其工作範圍,是亟待解決的一大難題。

另一難題是固態電解質和電極的介面處理,因為在固體電解質中鋰離子傳輸阻抗很大,與電極接觸的剛性介面接觸面積小,在充放電過程中電解質體積的變化容易破壞介面的穩定,如何提升介面穩定性目前也沒有可行的解決方案。

全固態電池汽車或將在10年後正式量產

目前全固態電池的研發除了相關機構與供應商外,各大車企也早把目光鎖定在了該技術上。在這場與時間賽跑的研發中,可以說固態電池一旦正式研發成功並投產,則意味著全球範圍內的能源佈局將會改寫,研發者同時將掌握次世代頂尖的不亞於核能的能源技術。放眼全球,目前對全固態電池研發進度上,中日兩國並列前驅,其次則是三星和LG牽頭的南韓。

日本38家機構聯合研發全固態電池,豐田是龍頭。自2018年始,以豐田為首的包括本田、日產、松下等23家汽車、電池和材料企業,以及京都大學、日本理化學研究所等15家學術機構在內的日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)就已經開始了全固態電池核心技術的開發。該專案預計總投資100億日元(約合5.8億元人民幣),預計在2022年全面掌握全固態電池相關技術。

在這場研發中,豐田幾乎動用了原來所有搞雙擎的原班人馬的技術實力,其側重硫化物固態電解質技術路線也已曝光。據此前豐田釋出的訊息來看,第一代固態電池的大規模量產時間為2030年,且作為第一代還不能做到全固態電池全部的能力,仍然是基於鋰電池的技術核心。

要到2030年之後的第二代固態電池,才能完全拋棄鋰電池的技術形態,實現真正意義上的全固態電池大規模量產,實現對燃油汽車市場的吊打和行業顛覆。

豐田生產的固態電池

寧德時代較為保守,尚無關於研發進度的官方訊息,但在一些關鍵技術的研發上,據說已經走到了所有對手的前面,但在一些技術方面落後於日本。在早些時候,福斯、BMW均已與寧德時代就鋰電池研發展開合作。

至於南韓軍團,最近受日韓貿易爭端影響,很大一部分固態電池的核心材料被日本禁運(看樣子日韓貿易戰大有深意)目前進度應該是大大落後了。

業界普遍估計,要真正意義上實現全固態電池的量產,要到2035-2040年左右。

車郎中估計:得益於今年斬獲諾獎的三位科學家在鋰電池上取得的研究突破,這個時間點有望再提前至少5年,屆時燃油汽車市場勢必受到強烈衝擊,但最終結果如何,誰都無法預測,時間會給我們答案。

結語

隨著中國成為世界上最大的汽車生產國和消費國,伴隨著的環境汙染和能源緊缺問題,倒逼新能源汽車加快研發升級。而全固態電池作為新能源汽車未來發展中最關鍵的部分,相信不管是車企還是各研究結構,在這場與時間的賽跑中必將全力以赴。因為在未來誰率先掌握這項技術,給整個汽車市場帶來的變化將是翻天覆地的,說重新洗牌整個行業也不足為過,並且其在未來帶來的主動權、話語權將不僅僅限於汽車行業,畢竟這是重要性不亞於核能的次世代新能源核心技術。

最終固態電池會花落誰家,我們拭目以待。

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