固态锂电池到底何时能在电动汽车上量产?

2021-10-26

根据国务院办公厅2020年印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》明确要求“加快固态动力电池技术研发及产业化”。另据不完全统计,目前全球共有53家企业在布局研发固态电池,预计到2025年开始小批量进入市场,将成为电动汽车取代燃油汽车的制胜利器。在市场需求方面,据预测,到2030年,全球固态电池需求有望达到500GWh,按照专家保守估计,将形成3000亿元以上的市场规模。其发展方向已然成为定势。

从工作原理是,固态锂电池和传统的锂电池并无区别,两者最主要的区别在于固态电池电解质为固态,相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。而随着正极材料的持续升级,固态电解质能够做出较好的适配,有利于提升电池系统的能量密度。另外,固态电解质的绝缘性使得其良好地将电池正极与负极阻隔,避免正负极接触产生短路的同时能充当隔膜的功能。
固态锂电池使用薄层固体电解质,在电极之间携带锂离子。相比采用液态电解质的锂电池在高温下易燃易挥发的特性,固态电池有更高的能量密度,数据原型表明,与相同重量和体积的锂离子电池相比,固态电池可以存储多达80%的能量。相对稳定的特性也允许电池使用更高的电压补充电能,充电时间也随之变短。

此外,固态电解质具备较高的机械强度,易于封装,且能够有效抑制液态锂金属电池在循环过程中锂枝晶刺穿,使开发具有高能量密度的锂金属电池成为可能。

还有一个非常关键的因素就是固态锂电池的安全性相比液态锂电池高不少,作为搞电动汽车安全的我,是多么的渴望这一天的到来。
在固态电解质选择、电芯设计上需要不断解决循环过程中固相界面接触及体积膨胀问题。其中,氧化物材料的柔韧性比较差,界面接触较差,会导致界面阻抗增加;聚合物则存在着导电率过低的问题,比现在液态电解质的导电率低4-5个数量级;硫化物固态电池则面临电解质对空气敏感、制造条件苛刻、原材料昂贵、规模化生产技术不成熟等问题。为了兼顾高能量密度、高安全、长寿命等综合性能,固态电池需要匹配高比能的正负极材料,如高镍三元正极、硅碳负极、金属锂负极等。这些高比能正负极材料的引入也为研制固态电池带来了一系列挑战,仍需要反复实验和比较,提出综合优化的解决方案。而整个过程中不管是新材料的开发还是老材料的改良都需要耗费巨大的时间、精力和投入。在此,必须像科研人员致敬!
到目前为止,固态电池的原型已经开发成功,但电动汽车要实现长续航需要的电芯数量至少是迄今为止在实验室测试的20倍。目前每块电池的制造成本约为10万美元,这意味着工厂将很难批量制造。从实验室到工厂的研制过程能否加快,在生产线上能否生产出标准的固态电池,性能是否达到人们的期望,是否具备在车用领域商业化应用,这些都是极为关键的标准。尽管有高能量密度、高安全性的突出优势,但就目前业界的研发进展来看,现阶段固态电池在材料成本、加工成本、量产能力等方面都或多或少存在着短时间无法突破的短板。如果有参与过电动汽车固态电池项目开发的对这点估计体会尤为深刻,这造的哪是车啊!
就当前过动力电池路线选择上,三元和磷酸铁锂在电化学体系难以发生本质性突破的情况下不大可能发生大的变化,并且基于安全性、理性、性价比等方面综合考量,目前整车企业整体上对于磷酸铁锂的需求正逐步拉高,而三元主要还是集中在一些高端车型应用上面。从投资角度来说,磷酸铁锂的空间还是很大的。至于三元电池,由于对钴材料的使用量太大,钴受限于供应的不稳定性且价格昂贵,行业目前在三元电池的开发方向主要集中在高镍化和去钴化,所以大家最近也经常会听到无钴三元或者高镍三元的名词。当然了,现在又产生了一种新的方向,钠离子电池,优点是资源丰极其丰富,缺点是能量密度不高,在储能和两轮电动汽车市场潜力很大,详细的后面找机会再跟大家也分享探讨。

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