蔚來明年量產,寧德時代還需十年:揭秘固態電池量產之謎

2021/1/21 20:25:10 來源:車東西 作者:Juice 責編:孤城

就在最近一兩周,電動汽車實現 1000 公里續航的口號成了行業熱點話題。

蔚來、智己、廣汽等車企先后表示有方案可實現上述目標,包括了固態電池、硅負極電池等等。其中最引人注目的,自然就是代表了動力電池未來的固態電池技術了。

傳統車企的領頭羊之一,豐田汽車在不久前也宣布將在今年實現固態電池的小批量量產。有了固態電池的加持,仿佛電動汽車技術就站在了實現突破性進展的前夜,在續航上分分鐘可以打敗燃油車型。

但固態電池技術真的已經到了量產的前夜了嗎?蔚來喊出 2022 年量產的底氣來自哪里?動力電池企業們對固態電池的量產時間表,又有著怎樣的預期呢?

帶著這些問題,我們和動力電池領域的從業者和技術專家進行了交流,發現事實遠沒有這么樂觀。

一、蔚來明年量產固態電池 再次帶熱固態電池

在今年的蔚來 NIO Day 上,蔚來發布了多款重磅產品,除了被視為下一代旗艦的蔚來 ET7,李斌還在發布會上發布了一款 150kWh 大號電池包。

根據蔚來方面的介紹,這款電池將會是固態電池,采用原位固化固液電解質、無機預鋰化硅碳負極、納米級包覆超高鎳正極,電芯的能量密度達到了 360Wh/kg,而現階段能量密度最高的 NCM811 電芯大概在 270Wh/kg 左右。

▲蔚來發布 150kWh 固態電池

在采用了這款電池包之后,2018 款 ES8 的 NEDC 續航里程將會達到 730 公里,全新 ES8 的 NEDC 續航里程將會達到 850 公里。ES6 的高性能版本的 NEDC 續航里程將會達到 900 公里,EC6 的高性能版本的續航里程為 910 公里。

在發布會上剛發布的新款車 ET7 在采用了這款電池包之后,NEDC 續航里程將會超過 1000 公里,這意味著這款車將會成為現階段續航最長的電動汽車。

▲新電池可全面提升車輛續航

在發布會之后,率先引起用戶討論的并不是這款車的性能如何,而是蔚來表示將會在 2022 年第四季度量產固態電池這件事。隨著討論的發酵,也固態電池再次成為了行業的熱點之一。

而在去年年末,《日經新聞》報道,豐田計劃在 2021 年首次亮相其搭載了固態電池的量產車,也曾引發過關于固態電池的討論。

▲《日經新聞》報道豐田將會在 2021 年推出固態電池量產車

連續兩個關于固態電池的量產規劃讓固態電池的量產似乎出現了曙光,而固態電池上車,并且讓車輛的續航突破 1000 公里似乎已經完全不是問題了,電動車全面代替油車的時代似乎已經到了。

但事實真的是這樣嗎?蔚來為何能突破行業平均水平,提前量產?帶著這兩個問題,車東西和動力電池領域從業人員進行了一些交流,得出了一些新的認識。

二、蔚來是半固態電池量產 有企業今年可實現

要知道蔚來為何能夠提前量產固態電池就首先要明確固態電池的兩種形式,一種是半固態電池,電解質為固液夾雜;另一種是全固態電池,電池的電解質完全為固態,也就是更多人理解中的固態電池。

蔚來本次發布會上所發布的固態電池屬于前一種,即半固態電池,并非公眾理解中的固態電池。蜂巢能源的技術支持總監林育民告訴車東西,半固態電池并不是很先進的技術,蜂巢能源今年電池日活動上發布的果凍電池就已經是半固態電池了,蜂巢能源今年能具備量產的條件。

▲蜂巢能源發布的果凍電池就是半固態電池

林育民表示,在現階段的 NCM 811 電池的基礎上,往負極材料上摻加硅碳元素,就能生產出半固態電池,從技術上來看完全可行。

半固態電池最大的優點就是能量密度更高,電芯能量密度做到 300Wh/kg 左右完全沒問題,這樣做的好處是,可以讓電動汽車攜帶更多的電池。

他還表示幾年前這項技術就已經有了,但當時材料的成本都比較高,如果生產出 150kWh 的電池包,那么只有售價超過百萬的車型才能夠使用。

而且早些年,國內電動汽車的補貼政策比較明確,電池企業也在這個政策下進行生產,明確來講就是,政府對電池的補貼要求是什么,電池企業就生產什么樣的電池。車企這邊也是同樣的道理,政府補貼對續航的要求決定了車輛的續航里程。

近些年,材料成本不斷降價,生產更大容量的電池變得更加可行,再加上蔚來汽車的售價平均都在 40 萬上下,電池成本對整車售價影響不算太大,蔚來在此時推出這種電池也合情合理。

▲蔚來在 NIO Day 2020 發布 150kWh 電池

在使用壽命上,這種電池也完全能夠滿足用戶的需求。舉個例子,電動車使用最多的場景主要是平時的上下班,而上下班的通勤距離一般都不會太遠,夸張來說,假如用戶上下班的通勤距離有 100 公里,那么充一次電,車輛也足以使用一周。

做個簡單的乘法題,充一次電可以使用一周,一年僅需要充電 52 次,那么十年,電池也就循環了 500 多次,也就是 50 萬公里的續航距離了。

林育民表示,這個循環數據對于液態電池或是摻硅碳電池(半固態電池)來說完全不成問題,摻硅碳電池在硅碳含量達到 10% 左右的時候,循環壽命可以實現 700 次以上,甚至突破 1000 次都可以實現。

但這種大電池包也并非完全沒有缺點,更大的容量意味著電池的充電時間會變得更長,目前公共充電樁的功率大部分都維持在 30kW~60kW 之間,在這種充電樁下,150kWh 的電池包完全充滿電理論上需要 2.5~5 個小時。

而用戶家里安裝的家充的功率則在 10kW 左右,這就意味著采用家充的話,可能需要十幾個小時才能夠將電池充滿。

▲蔚來家充樁

目前蔚來正在全國積極建設換電站,采用換電模式后,用戶直接開車過來換電就行,而電池包的充電則是蔚來換電站的工作。

可能正是出于這個目的,李斌在 NIO Day 上表示,將會在 2021 年在全國建成 500 座換電站,而 2022 年這一數據還會繼續增加,屆時,蔚來再推出 150kWh 電池包在充電方面也會有一定的保障。

▲蔚來第二代換電站

北京某研究所電池技術專家高晨(化名)也向車東西表示,目前在用于電動汽車的固態電池領域,先推出半固態電池也不失為一個實現快速商業化落地的好方法。

三、專家:全固態電池至少還需五年才能商用

既然蔚來要推出的固態電池并非是全固態電池,那么全固態電池究竟要到什么時候才能大規模商用呢?

關于這個問題,車東西也得到了幾個答案,高晨表示,動力電池的大規模上商用至少要到 5 年之后,而此前國軒高科高級副總裁徐興無和欣旺達副總裁梁銳也曾傳遞了相似的看法。

豐田雖然要在今年推出固態電池車型,但是官方也表示將會在 2025 年實現量產,寶馬此前曾宣布將會在 2026 年量產搭載固態電池的電動汽車,而寧德時代更是認為要到 2030 年才能大規模量產完全固態電池。

雖然各個企業表達的時間點并不一致,但是不難發現,整個行業內均認為至少要到 2025 年之后才能推出完全固態電池。

那么固態電池的量產難度究竟在哪里呢?為何研發進度如此緩慢呢?

▲鋰電池技術路徑演變

1、電解質導電性太差和界面阻抗太大影響研發進展

一位動力電池從業人員告訴車東西,目前固態電池的難點在于電解質導電性太差和界面電阻太大?;瘜W反應所選擇的介質通常會選擇液體,這是因為離子在液態的物質中更容易移動,也更容易發生反應。

固態電解質的第一大技術難點就是鋰離子的遷移效率,這直接影響了固態電解質的離子電導率。據了解,目前絕大多數的固態電解質的離子電導率在 10^-7—10^-2 S/cm 之間,而目前三元鋰電池所使用的液態電解質的離子電導率為 10^-2 S/cm,絕大多數固態電解質的離子電導率低于液態電解質,影響了固態電池的實用性能。

▲傳統電池(左)與固態電池(右)結構原理圖對比

林育民也表示,現在主要就是在材料上無法進一步突破,現在國內外的電池企業無論走哪條路線來做固態電池在材料上都有問題。

另一個問題出在固態電解質與電極的接觸上,液態電解質可以最大限度地與電極保持接觸,而固態電解質與電極之間很難做到完美貼合,如此一來,電極與電解質之間的界面阻抗就會上升,同樣影響固態電池的實用性能。

高晨認為這也是非常關鍵的一個問題,在液態電池里,界面主要是液態和固態組成,而固態電池則是固態和固態的界面,所以界面的組成本身材料形態、物質組成都發生了根本性的變化,很多問題都是固固界面的接觸引起的。

在技術方面,液態電池的生產工藝比較成熟,是采用涂布的方式,把不同的材料壓在一起,然后把液態電解質注射進去,達到均勻分布。而固態電池不能按照這種方式來生產,需要發展全新的工藝,實現固態電解質、正極材料和負極材料良好的接觸,達到像固體和液體這樣包覆性的接觸。

2、三大技術路線均存在一定的缺點

據了解,現在學界與業界在固態電池領域已經摸索出了三條較為可行的技術路線:聚合物電解質、無機氧化物電解質以及無機硫化物電解質,但這三條路線也各有各的優缺點。

在聚合物電解質方面,材料主要有聚環氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等。高晨介紹,這種聚合物的優點在于比較柔軟可以做凝膠狀態,具有一定的柔韌性。

但這種電解質的缺點在于導電率過低,比現在液態電解質的導電率低了四到五個數量級,所以在實際應用中,會產生不少的影響。在材料聚合的過程中,會產生水,同樣會對電池里的金屬元素造成不好的影響。

在無機硫化物電解質方面,材料主要有 Thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS 等。據高晨介紹,最好的硫化物電解質的導電率已經可以跟液態電池持平的水準,但硫系電解質還存在一系列的問題。

這種材料耐高壓方面比較差,跟水分接觸,容易發生負反應,生成有毒的、易燃易爆的硫化氫氣體,這個固有的問題阻礙了現有的硫化物固態電池的發展。此外,現有電池的制備工藝是基于濕法的制備方式,很難避免跟水分的接觸。

在無機氧化物電解質方面,主要材料有薄膜型(LiPON)、非薄膜型(LLZO)。高晨表示,這類電解質跟液態電解質的導電率差距已經不是很大了,相對比較容易實現,并且這種材料對環境的要求比較低。

但這種材料的柔韌性比較差非常堅硬,會帶來一個很大的問題,界面接觸會比較差,直接導致界面阻抗增加,用現有的生產方式很難降低界面阻抗。

3、固態電池的一致性和量產也非常困難

就算解決了固態電池的材料問題,在量產方面也面臨著大規模量產和降低成本方面的問題。

林育民表示,在電解質之外,電池的一致性也非常重要,目前電池企業在生產液態電池的時候,都在追求產品的一致性。但液態電解質可以自由流動,而固態是固定的不能流動,做不均勻,一致性會差于液態電池。

▲液態電池的輥壓工藝

高晨告訴車東西,現階段的電池生產工藝在固態電池領域完全不適用,要大規模生產固態電池還需要創新生產工藝。

在這里面主要有兩個問題需要解決,一個是提升電池的生產效率,在上世紀 90 年代已經有小型的固態電池開始生產了,但是那時的電池體型比較小而且生產效率比較低。

另一個則是降低成本,只有解決了這兩個問題才能實現產品的大規模商用。

這主要跟固態電池的技術成熟度有關,如果技術路線已經快速確定下來了,那么產線的搭建就會非常順利。隨著大規模生產,固態電池的成本也將會降下來。

結語:純固態電池的量產還存在諸多難題今年開年,汽車領域的討論點都集中在了動力電池行業,固態電池、石墨烯電池紛紛亮相。而固態電池這一平靜的領域也重新火熱了起來。

但是蔚來一直對外宣稱的固態電池卻并不是真的純固態電池,而是半固態電池,根據行業人士介紹,半固態電池在技術上的突破性并不是很大,距離純固態電池也還有一定的差距。

純固態電池目前仍然存在電解質離子電導率低、高界面阻抗的問題,就連業內摸索已久的三條可靠技術路線也還存在不小的問題。即使解決了材料方面的問題,電池的一致性、生產方面的問題也會出現。

總的來看,固態電池仍然是最理想的電池形態,但是在現階段要實現量產仍然是苦難重重。

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