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当续航 1000KM 成为硬指标,电池技术何去何从

2021-03-07 14:35 雷锋网   

造车热背后,电池革命也时常被人所提及。遗憾的是,多年过去,好像谁的命也没被革成。

去年10月,一家名叫QuantumScape的美国固态电池新创公司宣称:“我们的新型电池不但能让电动车续航翻倍、15分钟完成充电工作,甚至还比现有的锂电池更为安全。”

三个月后,大洋彼岸的中国,蔚来则在NIODay上发布了一款续航超1000km的车型。他们号称会配备固态电池技术,2022年第四季度正式开卖。

或许,QuantumScape和蔚来真可凭借固态电池带来一次真正的技术革命,但在实现这一目标之前,尚需瓦解锂电池建立的几十年的统治地位。

电池革命为何迟迟不来?锂电池为何能够统治业界超三十年却屹立不倒?

答案比较简单:打造新型电池的化学方程式尚未出现。

“自18 世纪以来,电池的基本概念从未发生改变。”悉尼大学化学家、Gelion Technology的创始主席 Thomas Maschmeyer教授说道。

所有电池的主要构件无外乎三个:正极、负极、电解质(起催化剂作用)。

在上述三大元素不可改变的大前提下,如果业界想要实现革命性的技术突破,就必须对电池的化学成分做出调整。

过去几十年来,电池研究者们在元素周期表上可没少下功夫,目的则是能够找到代替锂电池的新型化合物。

主要路线分为两种:

不过,改变电池化学成分说起来容易做起来难,解决一个问题的同时可能会带来多个新问题。

最主要的原因是电池在化学反应中会产生能量。

以常见的锂离子电池为例,它们会用到石墨负极和金属氧化物正极(通常是钴、镍、锰、铁或铝),而电解液则是有机溶剂中的锂盐。

当锂离子电池通电时,负极与电解液中的锂发生反应,产生电子积聚在负极周围,正极发生化学反应后就会吸引这些电子,产生电子流。

这一过程被称为还原—氧化过程。(也就是化学课上学的“氧化还原”反应。)

于一次性电池(比如遥控器里的AA电池)来说,电子流只需朝着一个方向工作。

但在充电电池上,电子流的运动过程就变成可逆的了。也就是说,在正极和负极之间穿梭的电子必须买张“往返票”,而且不会消耗或破坏活性化学物质。

锂离子电池之上,氧化还原反应简直是教科书级别的。在电池材料开始退化之前,电子可以双向移动,实现数千次循环。

可惜的是,这世上万事皆有缺憾:充放电循环会产生微小的金属晶须(被称为树突),这些晶须会穿过电解液,缩短电池寿命。

在极少数情况下,锂离子电池还会起火(想想当年出现燃损事故的 Note 7)。

那么,如果换种成分,将锂换成镁呢?后者更容易开采,而且能够达到类似的能量密度。

事实证明:镁离子电池理论没问题,实践一团糟。

对锂有效的化学反应对镁不起作用,而且对钠、铝或任何其他体系都不起作用。在锂离子电池中,锂可以通过嵌入的过程扩散并稳定在石墨负极内,但镁不行。

它不但无法稳定在负极之内,镁还会在负极发生反应,形成固体电解质界面膜(SEI),进一步阻碍镁离子在电极和电解液之间的扩散。一旦这层界面膜出现,电池性能会迅速下降。

镁元素遭遇的问题并不罕见,不少要将锂元素打下神坛的化学成分都能实现充放电功能,但做得都不够完美。

显然,扩散能力弱意味着镁离子电池无法储存大量能量。锂空气电池虽然实现了高能量密度,但在稳定性方面存在问题。

至于钠,虽然它是地球上储量最为丰富的化学元素,但钠离子电池能量密度很低,根本无法用于消费电子产品或电动车。

这么多锂电池的变体中,唯一投入市场的恐怕只有锂硫电池了。

这项技术被人们所期待的最主要原因是:它能将电池能量密度提到传统锂离子电池的5倍。

不过,锂硫电池也不完美,因为锂和硫会发生化学反应,产生多硫化锂。这种物质的溶解度很高,能扩散到电解液中并穿过分隔正极和负极的隔膜。

多硫化锂可不是人们想要的氧化还原反应,因为它会覆盖负极并使其钝化,随后就是容量的迅速降低,直至电池最终罢工。

这个过程叫做多硫化物重组,二十多年来,它让研究人员们伤透了脑筋,尽管做了大量改善工作,但仍然难以找到商业化落地的变通方法。

当所有研究人员都一筹莫展、难寻进步通道时,固态电池登场了。

何为固态电池?它抛弃了传统电解液,转而使用固态电解质,而新的电解质则是固态电池的核心。

除了能够做好自己的本职工作,固态电解质还能一并扮演隔膜的角色。

固态电池正极材料选择上,高电压型电极材料就可胜任;至于负极,则可用到锂金属,以实现能量密度的大飞跃。

固态电池事实上并非新鲜事物,其研发进程开始于上世纪五十年代,最近几年因为电池革命需要被迫走上前台。

相比于传统锂电池,固态电池有几大优势:

通常,动力电池系统需要先生产单体,单体封装完成后将单体之间进行串联组装。若先在单体内部进行串联,则会导致正负极短路与自放电。

固态电池电芯内部不含液体,可实现先串并联后组装,减少了组装壳体用料,封装设计得以大幅简化。

从理论上来讲,量产电动车中最强的21700NCA三元锂电池电芯(特斯拉使用),其能量密度也只有251Wh/kg。

业内人士认为,300Wh/kg将是三元锂电池难以跨越的鸿沟。

至于固态电池,其能量密度有望达到400-1000WH/kg,这可大大缓解电动车用户的里程焦虑。

此外,它的应用还能拉低电池组甚至整车的成本。

由于固态电池已经没有燃烧或爆炸之忧,BMS 等温控组件(这也是特斯拉的强项)可以彻底退役,无隔膜设计还能进一步为电池系统减负。

利好无数,但固态电池想从实验室量产上车可不简单。

眼下,固态电池仍存不少问题,譬如离子电导率低、高界面阻抗等。

此外,即使解决了材料问题,电池标准化制造等问题也会凸显出来。

当年的锂离子技术比较幸运,它在CD机替代卡带时诞生,而存储介质的转换让不少索尼的薄膜工厂闲置了下来。

当日本人意识到这些薄膜工厂能助锂电池一臂之力时,原本过时的产能又被重新激活。

也就是说,锂电池诞生之初,就已经做好了规模化量产的准备。

相比之下,固态电池的情况大不一样。

“这是完完全全地打掉重来,量产之前必须放弃过去30多年所建成的电池工厂和技术,因为固态电池与此前的技术储备毫不兼容。”Sila Nanotechnologies CEO Gene Berdichevsky 指出。

与此同时,今天锂离子电池的普及经过了三十多年的量产迭代才能出现。

1994年,最常用的18650型锂离子电池的制造成本超过10美元,容量仅为1100mAh。

到了2001年,价格降到了3美元,容量也跃升至1900mAh。

今天,此类电池已经有了超过3000mAh的容量,而且成本还在持续下降。

“没有人会与性价比过不去,锂离子电池至少还能统治整个行业10年时间。”某电池专家认为。

电池行业发展与成本息息相关,而成本与规模更是紧密相连。锂离子电池在拥有如此良好开局的情况下,依然花了15年时间才从高度专业化的产品进化成大众市场产品。

对于那些号称要在几年内彻底颠覆整个电池行业的新技术,不少人仍然持怀疑态度。

从股价上,我们也能看出一些端倪。

作为固态电池界的明星公司,QuantumScape手握200多项固态电池专利,市值曾一度冲高至500亿美元,但从去年年底到现在已经跌掉了一大半。

有人指出,虽然QuantumScape技术不错,但他们拿出的样品电池比苹果手表的电池都要小,而且从未走出过试验室。

在研究了公开的技术文件后,不少人认为QuantumScape也许最终能将固态电池推向市场,但恐怕很难满足车用要求,而且价格会非常昂贵。

眼下,业界普遍认为,固态电池真正落地时间会在2025-2030年之间。

事实上,目前已有不少巨头或多或少投资了一些固态电池新创公司。

福特、宝马与现代就联合投资了名为Solid Power的新创公司,本田则选择与NASA及加州理工合作,试图研究出可将能量密度提升10倍的新产品(不过该项目依然在用电解液)。

通用方面,不但拿到了美国能源部的200万美元奖励,还携手LG化学投资2亿美元继续开发固态锂电池,为旗下雪佛兰Bolt电动车提供弹药。

与福特建立同盟关系的大众则向美国固态电池新创公司QuantumScape投资3亿美元,不过它们的生产线2024年才能建成(1gWh),而2026年第二座工厂才会成型(20gWh),至于大规模量产要到2028年了。

相比之下,丰田走得最快,它们此前准备趁着东京奥运会发布一款搭载固态电池的电动车(已跳票)。不过,量产恐怕要再等五六年。

除此之外,丰田还联合本田、日产与松下组建了一个日本固态电池研发联盟,预计2030年能将电动车续航做到500英里(约合804千米)。

有趣的是,松下曾表示固态电池未来十年内都难以投入商用。

也许,在固态电池来临之前,锂电池可能还会统治业界一段时间。比如昨天小鹏又最新发布了他们基于磷酸铁锂电池版本的P7及G3。

理论与实践有时候不太同频。

假设固态电池真的能够快速落地,实现了某些厂商声称的1000KM续航,关于电动车,人们还会有其它焦虑吗?

当然有,而且还不少。

譬如充电速度、充电站建设,充电站背后的电网设施等等。

英国华威大学的David Greenwood教授表示,电动汽车的成功取决于无处不在的充电网络和更快的充电速度。

先看快充技术,这里首先还得明确试验室技术与商用技术之间的差别,因为真正装车后的产品就必须在极端的温度、苛刻的驾驶条件和大功率快速充电等工况下接受考验,而它们对任何技术而言都是巨大的挑战。

另外,随着电动车保有量的不断增加,以及电动车商用化的深入,快充网络将变得越来越重要。

作为年发电量占到全球四分之一的发电超级大国,电能倒不会成为制约中国电动车发展的瓶颈,其真正挑战在于配电设施、布线和变电站等。

“从技术角度来看,已经有不少公司拿出了实验室技术,但如何大规模工业化是个大问题,而按照以往经验,这个过程至少需要5-8年。”某从业人士谈到。

【以上内容转自“雷锋网”,不代表本网站观点。未经授权不得转载】

 

责任编辑: 3976DBC

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