能量密度高，成本低……這是真實的固態(tài)電池嗎？

現(xiàn)在有一種說法,名曰后鋰電池時代。

這里,液態(tài)鋰電池?zé)o法平衡安全性和能量密度,這一弱點成為它的致命一擊。它無法作為電動汽車駛?cè)胛磥淼哪芰縼碓础?/p>

而固態(tài)電池則被電池廠家和車企視為希望。它的開發(fā)進程和量產(chǎn)時間表,直接關(guān)系到電動汽車能否成為主流用車選擇。至少現(xiàn)在來自不同企業(yè)的觀點集中于此。

許多企業(yè)對于固態(tài)電池的大方向沒有異議。但是,隨著研發(fā)的持續(xù)和深入,圍繞著固態(tài)電池產(chǎn)生了許多細節(jié)問題,例如電解質(zhì)路線、固液相、成本。

針對這些問題,記者對臺灣輝能CEO楊思枏進行了專訪。作為當(dāng)下固態(tài)電池,尤其是氧化物體系的主要推動者,輝能的思考成為我們探析固態(tài)電池世界的一道大門。

固態(tài)電池是液態(tài)電池的一種延伸,一種補救方案。初期,它可以沿用液態(tài)的正負極材料和供應(yīng)鏈,減少商業(yè)化道路上成本的額外增加項。在此基礎(chǔ)上固態(tài)電解質(zhì)或混合電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì),強化安全性。

用于量產(chǎn)車中最廣泛的液態(tài)電池是NCM522電池或NCA電池,而車企最為期待的是NCM811電池。當(dāng)前NCM811電池的系統(tǒng)能量密度可提升至170-180Wh/kg,基本是動力電池能夠達到的巔峰值。

然而,高處不勝寒,當(dāng)高含量的鎳幫助液態(tài)電池站上能量密度的最高峰時,就面臨上了瓶頸問題,無法再繼續(xù)下一個高峰。同時,它也開始發(fā)揮破壞作用。電解液化學(xué)窗口較低,額定電壓大概為3.7V,但高鎳正極材料要提高容量需要更高的電壓,而電壓會引發(fā)電解液發(fā)生崩解,引發(fā)爆炸。

電動汽車若要代替燃油車成為主流用車選擇,它需要有可以相媲美的續(xù)航里程。能量密度,是核算續(xù)航的一個關(guān)鍵指標。這意味著,電池廠會將高鎳三元鋰電池貫徹下去。同時,整車的安全性必須得到保障,這是電動汽車、智能汽車等等得以普及的根本。動力電池,能量的起始點,是動力源安全的第一道關(guān)卡。

因此新一代動力電池在保持及延續(xù)液態(tài)電池的高能量密度的同時,也需解決安全性問題。而這正是固態(tài)電池出現(xiàn)最主要的目的。

當(dāng)然,除了固態(tài)電池,還有其他解決方案,例如鋰硫電池、鋰空氣電池。但根據(jù)輝能的調(diào)研,“鋰硫電池和鋰空氣電池都處于非常前期的實驗室的研究階段,預(yù)計到2035年至2040年才有可能出現(xiàn)基礎(chǔ)的技術(shù),電芯技術(shù)才有可能成熟。在此之前,它不具備商業(yè)化的可能?！?/p>

就電動汽車的發(fā)展時間來看,2025年至2040年是其發(fā)展的黃金期。這段時期內(nèi),電動汽車能否大規(guī)模上路,決定著它是否可以作為未來汽車的解決方案。這又取決于動力電池的技術(shù)進化速度。

依據(jù)這一時間點,對比之下,各類新型電池體系中,固態(tài)電池是距離產(chǎn)業(yè)化最近的下一代技術(shù)。在輝能看來,固態(tài)電池以固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì),沿用當(dāng)前的三元正負極體系,它更像是磷酸鐵鋰電池(高安全)和三元鋰電池(高能量密度)的結(jié)合體。

當(dāng)液態(tài)電池上升空間受限,鋰硫鋰空氣電池遠在他方,固態(tài)電池成為電動汽車邁向未來的希望。但是,這份希望的建立過程并不容易。

固態(tài)電池用于電動汽車時困難重重。固態(tài)的電解質(zhì)放緩了鋰離子“運動員”奔跑的速度,即使改變正負極體系,也沒辦法做到想象中的能量密度和充放電功率大提升。于是,電池廠糾結(jié)于硫化物、氧化物、聚合物等電解質(zhì)路線之爭,固液混合還是全固態(tài)。

按照電解質(zhì)材料來分,固態(tài)電池可分為硫化物、氧化物、聚合物等。不同的電解質(zhì)材料各有其優(yōu)缺點。

例如硫化物材料天生導(dǎo)電性非常高,它能夠適應(yīng)的電化學(xué)窗口較寬。換句話,在更廣的電壓范圍內(nèi),電解質(zhì)不會參與化學(xué)反應(yīng),老老實實讓鋰離子流過。它的缺點在于材料很敏感,不夠穩(wěn)定,遇到水汽后容易形成硫化氫劇毒。因此,量產(chǎn)時它比較難以掌控,需要在全線干燥的制程中完成。硫化物體系的代表為豐田,它正在解決抑制硫化氫氣體產(chǎn)生的難題。

氧化物體系分為厚膜和薄膜,共同的特性是電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性高,可以在高溫下工作,但是電解質(zhì)片容易脆裂。不同的是,厚膜需要解決的主要問題是室溫電導(dǎo)率低,薄膜則是制備成本高,僅能做成郵票大小,量產(chǎn)時過于昂貴。

目前,國內(nèi)多數(shù)固態(tài)電池廠家走的是氧化物路線,例如輝能、清陶、衛(wèi)藍、贛鋒鋰業(yè)。

固液混合還是全固態(tài),這一選擇涉及到固態(tài)電池的能量密度和充放電速率。除了安全性高外,曾經(jīng)固態(tài)電池被認為擁有能量密度高、充放電速度快的優(yōu)勢。這是由于它可以避免短路之后的熱失控問題,可以使用金屬鋰負極和高電壓正極材料,提升能量密度空間。

但是,固態(tài)電解質(zhì)能夠帶來穩(wěn)定性的好處,卻無法像液態(tài)一般滲透到電極的各個角度。這就導(dǎo)致電極與固體電解質(zhì)之間的接觸面積小,同時界面電阻非常高,影響到離子傳導(dǎo)率。以導(dǎo)電率最高的硫化物為例,它在室溫條件下導(dǎo)電率為10-3-10-2S/cm,而傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率為10-2S/cm左右,只此就差了一個數(shù)量級。

氧化物的室溫電導(dǎo)率低于硫化物,大概為10-4-10-3S/cm。國內(nèi)走氧化物體系的輝能、清陶、贛鋒鋰業(yè)為了提高電導(dǎo)率,添加了少量液態(tài)電解質(zhì),來解決低電導(dǎo)率限制能量密度的難題。固態(tài)電池產(chǎn)品均為固液混合電解質(zhì)電池。除此之外,輝能在氧化物固態(tài)電解質(zhì)以及正負極中導(dǎo)入“內(nèi)部通道技術(shù)”(即其Ceramion技術(shù)),來提升室溫導(dǎo)電性,并且降低內(nèi)阻,實現(xiàn)5C快充的可能。

當(dāng)液態(tài)電池的安全問題有待解決,全固態(tài)電池受制于技術(shù)和成本,難以量產(chǎn),類固態(tài)電池作為過渡產(chǎn)品,從解決電池安全入手,到實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng),降低固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的成本,似乎是一個更為穩(wěn)妥的方式。

獲悉,輝能對自身固態(tài)電池的產(chǎn)品規(guī)劃即是從類固態(tài)走向固態(tài),2018年至2023年,第一代類固態(tài)電池沿用液態(tài)電池正負極,同時正極從NCM622升級到NCM811,負極從石墨轉(zhuǎn)向高SiOx含量(14%以上~100%)的石墨復(fù)合物。

目前其PLCB和BLCB固態(tài)電池均為第一代氧化物類固態(tài)電池產(chǎn)品。其電解質(zhì)為固液混合電解質(zhì),正負極材料為NCM和石墨。

根據(jù)輝能的測試數(shù)據(jù),其固態(tài)電池的電芯重量比能量為215Wh/kg,體積能量密度為540Wh/kg,均稍低于液態(tài)電池。但是到2021年固態(tài)電池通過采用更高利用率的活性材料,在電芯層面的能量密度將與液態(tài)電池持平,然后逐步超越。

固態(tài)電池的能量密度優(yōu)勢在電芯層面相對不夠明顯,反而到PACK層面更為突出。

輝能測算,采用雙極電池封包技術(shù)后,固態(tài)電池的成組效率在重量能量密度和體積能量密度兩個維度下分別為82%~85%和70~75%。因此PACK的能量密度可達到176Wh/kg和405Wh/L。此時,再與液態(tài)電池相較,固態(tài)電池在今年就可展現(xiàn)出自身的優(yōu)勢。

單論電芯能量密度,在固態(tài)內(nèi)阻高,損失能量的情況下,電池廠需要升級正負極材料,提高鋰離子的擴散能力。以輝能為例,其2023年后的第二代固態(tài)電池減少活性材料的使用量,正極為HNCA/HNMC,負極為金屬鋰或純硅。

當(dāng)固態(tài)電池廠家選定路線,克服技術(shù)難關(guān)后,擺在他們面前的還有成本難題。

新能源汽車補貼力度逐年減弱,當(dāng)車企不再能夠拿補貼作為旗下電動汽車售價的噱頭,而是貼出真實價格,誰能推出比競爭對手更有性價比的電動汽車,將更貼近消費者。

動力電池又占去整車30%至40%的成本,若無法控制電池成本,電動汽車將很難達到終端消費者對價位的需求。

固態(tài)電池,做為新興電池技術(shù),尚未用于量產(chǎn)車中。一方面,整車廠仍在驗證固態(tài)電池的性能;另一方面,相比液態(tài)電池,固態(tài)電池是否在一定條件下具有成本優(yōu)勢?這種優(yōu)勢是否足以引起整車廠的興趣?

輝能CEO楊思枏在回應(yīng)這一問題時表示:“成本方面,我們著重的點不是在cell端,而是在PACK端?！?/p>

這源于固態(tài)電池的安全優(yōu)勢。電芯層面,它不會出現(xiàn)液態(tài)電芯串聯(lián)后電壓增高導(dǎo)致電解液崩解的后果。因此固態(tài)電芯可不受限于電解液的容許最高電壓來加以相互串聯(lián)與并聯(lián),提高單位電壓及容量。

這即是固態(tài)電池的多軸向雙極技術(shù),如輝能的MAB技術(shù)。內(nèi)部串并聯(lián),電芯可以組成一個大的復(fù)合式電池芯。它節(jié)省掉外部串聯(lián)所需的打線、金屬柄或金屬棒等,既降低阻值,減少發(fā)熱問題的產(chǎn)生。此時,保護系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、BMS系統(tǒng)就可得到簡化,同時重量/體積成組效率得以增加。這是輝能固態(tài)電池PACK能量密度能夠超過液態(tài)電池的主要因素。成組效率提升、冷卻系統(tǒng)簡化,進一步作用于成本,幫助固態(tài)電池被接受,被認可。

輝能測算后發(fā)現(xiàn),固態(tài)電池在cell層面成本要高出液態(tài)電池,即使產(chǎn)能達到20GWh時,固態(tài)電芯仍是液態(tài)的1.1倍。而到PACK層面,當(dāng)產(chǎn)能達到20GWh,實現(xiàn)一定的規(guī)模效應(yīng),固態(tài)電池的成本是液態(tài)的98%。若是類固態(tài)電池MAB技術(shù),PACK成本會更低,大約為競爭對手的七成。

輝能CEO楊思枏在接受采訪中屢屢強調(diào)“規(guī)模資本”:“固態(tài)電池投入真的太大了,如果沒有達到一定的規(guī)模,它的優(yōu)勢不會很快地呈現(xiàn)出來?！?/p>

尋找合適的合作伙伴,是輝能認為能夠較快實現(xiàn)規(guī)模化的方式。中國以電動汽車為發(fā)展重點,因此它選擇與天際、蔚來以及央企車廠等共同開發(fā)使用MAB固態(tài)電池的樣車?！?021年桃園1-2GWh生產(chǎn)線建成、投產(chǎn)之后,我們將于2022年開始銷售電動汽車固態(tài)電池。大概到2023年路面上將會出現(xiàn)使用了固態(tài)電池的車輛。”

固態(tài)電池在電動汽車上的應(yīng)用還有待長時間的測試,不過它的應(yīng)用領(lǐng)域不限于此,還可覆蓋安全帽等穿戴產(chǎn)品、智能設(shè)備、電動摩托車、儲能系統(tǒng)等。“日本、東南亞等摩托車更為普遍,我們對固態(tài)電池在電動摩托車和電動踏板車的應(yīng)用很感興趣?！倍喾綉?yīng)用的開拓亦是為了固態(tài)電池的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

在楊思枏看來,“規(guī)模資本”是固態(tài)電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的“最大壁壘”。因此他希望在固態(tài)電池發(fā)展初期能夠得到國家的補助或配套設(shè)施支持。這應(yīng)該也代表了其他固態(tài)電池廠家的心聲。