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固態電池進入量產階段,能否全面取代液態電池?

   2022-03-04 中國能源網

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核心提示:近日,東風公司生產的固態電池汽車全球首發,固態電池正式進入量產階段。新能源車取代燃油車,離不開動力電池的革新。而在電池技

近日,東風公司生產的固態電池汽車全球首發,固態電池正式進入量產階段。

新能源車取代燃油車,離不開動力電池的革新。而在電池技術研發過程中,固態電池尤其受到青睞,固態電池的量產也一直備受期待。

工業和信息化部近日發布《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》(第五十一批),由東風公司技術中心自主開發的東風風神E70固態電池車名列其中,獲得免稅許可。這是國內首款獲得免稅許可的固態電池乘用車,標志著東風公司率先開始固態電池車量產。

2022年1月22日,由東風公司與贛鋒鋰業合作開發的東風-贛鋒高比能固態電池E70示范運營車在江西省新余市全球首發,東風風神E70在國內率先打響固態電池產業化“第一槍”。據了解,首批投放的50輛東風風神E70固態電池車已完成交付,投放于江西、廣東、浙江、江蘇等四個省份。

東風風神E70固態電池車的四大性能優勢:

(1)安全性方面:東風固態電池車采用高比能固態電池,通過穿刺、50%擠壓大變形等嚴苛測試,60℃下可正常放電、熱箱180℃無異常,大幅提升安全性;

(2)可靠性方面:固態電池系統在防水、防爆、抗震、結構強度等方面也經受住嚴苛的實驗環境,技術指標領先于行業水平;

(3)穩定性方面:在BMS(電池管理系統)算法上實現“量身定制”,系統穩定、可靠;

(4)動力性方面:整車續航可達426公里,整車試驗累積行駛里程已達到15萬公里,動力性能表現優異。

1 什么是固態電池?

固態電池就是采用固態電解質的電池,1980年鋰電池之父美國科學家約翰•古迪納夫就提出了固態電池的概念,被認為是電池的終極形態。目前,在固態電解質材料方向上,主要有三種技術路徑:氧化物、聚合物、硫化物。

固態電池和液態電池的正負極材料大都相同,正極材料為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰,負極材料基本使用的是石墨。從工作原理上來講,固態電池與液態電池也并無區別。但從結構上看,固態電解體既充當電解液,又充當隔膜,因此電池安全性更佳,能量密度更高,不存在陰陽極接觸的風險。正因如此,固態電池的工作電壓范圍也更大,可實現更為快速的充電。

相較于液態電池,固態電池的發熱量很低,不需要特殊的冷卻系統。一般來說,固態電池的存儲能量密度,是液態鋰離子電池的2~10倍。

固態電池發展路徑

來源:中科院物理所、電動汽車觀察家、興業證券經濟與金融研究院整理

2 固態電池VS鋰電池

固態電池和三元鋰電池最大的區別在于取消了電解液,使用固體電極和固體電解質,這樣能大幅提升鋰電池的能量密度,同時縮短充電時間。同樣的電量,固態電池的體積將變得更小。取消電解液和隔膜能夠徹底杜絕漏液引發的各種安全問題,從而有效降低自燃概率。

與傳統鋰離子電池相比較,固態電池的安全性更高,無自燃、爆炸風險;能量密度高于采用相同正負極材料的傳統鋰離子電池。此外,在電解質構成、成本等方面,固態電池均比鋰電池占有優勢。

表:固態電池VS鋰電池差異性對比

制表:中國能源網

固態電池具備哪些優點?

相較于傳統鋰電池,固態電池的容量更大、更安全、充電速度快,沒有腐蝕性問題,使用壽命也更長。由于沒有電解液,固態電池不存在液態電解質難分離的情況,因此回收起來更加方便。優勢顯而易見。

此外,固態電池擁有更為穩定的電解質機械和化學特性,靜態及循環壽命將得到極大提升;固態電池具有熱穩定性,也不會在低溫凍結,對溫度不敏感,能在-50℃~200℃溫度保持放電功率,可以較大程度緩解冬季電池容量衰減問題,確保電動車的續航力。同時因其完全不可燃的特性,BMS溫控組件將不復存在,因而能夠實現多措并舉提升續航里程;能量密度得以極大提升,預計可以達到當前三元鋰電池的2~10倍,突破液態電池極限。

簡單概括,固態電池主要具有以下四大優點:

▌能量密度高;

▌充電速度快;

▌壽命較長;

▌熱穩定性佳。

固態電池的待解問題:

當然,固態電池仍然不可避免地存在一些需要解決的問題:

(1)高阻抗:固態電解質電池內部的離子活性變差(即導電能力變差)。固體和固體間的接觸性差,導致離子內部傳輸效率堪憂。當電極表面暴露在空氣中時,電阻會增加,從而降低電池容量和性能。

(2)成本高昂,不易量產:固態電池在技術、工藝、材料、成本等方面還存在有待突破的難題,阻礙其大規模量產;由于固態電池產量少,鋰金屬附件價格偏高,導致當前制造成本較高。

(3)循環不好:要保證車主們頻繁的充放電使用場景,就要保證足夠的充放電次數。

(4)高速高效率全固態電池的制造工藝和裝備尚不成熟。

3 固態電池的關鍵技術

2018年,東風公司技術中心前瞻研究中心正式成立東風固態電池項目組,開展固態電池、固態電池系統技術研究。東風風神E70固態電池車由該中心牽頭研發。

東風公司不斷實現固態電池技術研究的突破,相繼實現了固態電池、固態電池系統、固態電池整車開發,并按計劃啟動固態電池車示范運營項目。

東風E70這款電池采用全球領先的固態柔性隔膜技術,經受住了單體穿刺、50%擠壓大變形等嚴苛測試,同時放電溫度高達60℃,熱箱180℃無異常,電芯本征安全優勢突出。該車所搭載的固態電池模組采用了鋁合金框架、高精度拼縫激光焊接技術,減少冗余結構,成組效率高達86%以上。

其實,贛鋒鋰業為東風E70純電動汽車所提供的固態電池并非嚴格意義上的固態電池,而是一種半固態電池,采用的隔膜為固態柔性隔膜。在贛鋒鋰業的官方資料中明確指出:目前該公司的電池均采用“固液混合電解質”,而真正的固態電池,尚在與東風集團合作研發中。不過,贛鋒鋰業量產的固態柔性隔膜電池,相比純液態電解質的鋰電池,已然具有更輕薄、能量密度更高,也更加安全的優勢。

中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高也曾直言,中國的固態電池技術與日本最少相差五年,到2030 年中國固態電池的商業化應用規模才能達到 1% 左右。

由于半固態電池在安全和密度方面均有所改進,且擁有固態電池的部分優點,技術難度比全固態電池低,研發速度更快,部分企業選擇將這一過渡技術率先進行量產。以贛鋒鋰業的第一代固態電池為例,其能量密度在與三元鋰電池相當的同時,安全性也相對更高。

4 固態電池前景展望

2019年12月,我國發布了《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035)》(征求意見稿),首次將固態電池上升到國家層面。文件提出了加強固態電池研發和產業化進程的要求,到2030年,我國液態電解質將演變為固態電解質的目標。據預測,到2030年,全球固態電池需求有望達到500GWh,按照專家保守估計,將形成3000億元以上的市場規模。

追求高能量密度、長壽命、低成本、高安全性是電池行業永遠的課題。未來的電池技術也必將經過多路徑共同發展階段。由于在安全性及能量密度等方面極具優勢,固態電池成為新能源汽車的研究重點,因而深受資本青睞,引來各大電池廠商、車企紛紛試水。又因其具有安全輕量、成本合理、支持快充等優勢,成為下一代動力電池的最佳選擇,更有望成為燃油車的終結者。

固態電池的電池結構設計正逐漸由減少液體的使用,向無液體的全固態電池邁進。當然,成本和研發雙重壁壘還有待突破。要想在技術上完全走向成熟,固態電池還需要經過一段漫長的發展階段,但固態電池大規模量產是引領新能源汽車技術潮流的第一步。

來源:中國能源網

文:李穎



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