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大眾們為何瘋狂追求固態電池技術?

時間:2020-07-07 10:30來源:Astroys 作者:Astroys
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       上個月大眾向固態電池初創公司QuantumScape投資2億美元,這個金額很令人乍舌,幾乎相當于對于一家企業的收購金額。QuantumScape源于斯坦福大學的研究項目組,2012年獨立成為公司。大眾在2018年就投了100萬美元,但此次追加至2億美元,可見固態電池技術對于大眾的戰略重要性。
 
      在目前階段,固態電池的開發還要解決一系列的課題。首先就是要開發固態電解質,另外正負極材料、電芯極板的制造等都需要改進。最后,固態電池如果可以真正投入量產也會對整個電動車行業帶來重要的影響。
 

固態電解質
 

      目前固態電解質的開發主要分為三種技術路線,硫化物系、氧化物系、聚合物系。目前普遍認為硫化物系最具優勢,但這也不是最終確定的。固態電解質需要滿足五種條件,比液態電解質更高的離子傳導性、正負極的化學互換性、更寬的電化學窗口、幾乎可忽略不計的電子傳導性,以及更高的能量密度。能開發出滿足這些特性的固態電解質是最重要的,為此目前業界正在進行著許多嘗試。
 
      從硫化物系來看,目前有著對于各種電解質的研究,這部分是非常專業的部分,就不詳細說明了。在現有的鋰電池結構中,必須加入各種電解質持續進行測試。氧化物系與聚合物系目前也有多個測試對象,而且這些測試對象還在持續增加。而這些物質全部都需要經過測試,并制造出測試用的電池,需要持續進行實驗與驗證。這些工作本身就需要許多實驗工具、人力、設備等的投入,最終其實就是資本的比拼。
 
      因此,大眾投資QuantumScape本質上就是在支付一筆測試成本。經過充分的測試,最終可以開發出適用的固態電解質的概率會增加。不管怎樣,最終都必須需要達到與目前液態電解質趨同的性能,才有可能轉變為固態。
 

 
      這張圖片是目前液態電解質的結構。一般我們看到類似的結構圖時,經常會誤以為液態電解質的形態幾乎是流動的液體。
 

 
      我們拿圓柱形電池觀察一下,實際電池內部的正負極是非常緊密地貼合在一起的。所以電解質不是充分地以液體的形式浸透,而是滲入在極板之間的。甚至從截面來看,這個電解質甚至看起來并不像是液體。
 

 
      這是在聚合物電池上注入電解質工序的圖片。電解質需要經過一段時間緩慢地滲入到極板之間,或者是采用真空的方式等。因此注入電解質也是一項非常重要的技術。
 

 
      我們來看這張圖片,極板之間有藍色代表的電解質,但左上看還有很多是白色區域,就是還沒有充分的浸透的部分。但我們從左下、右下如果放大看,就可以明顯看出濕與干的區別。未充分浸透的部分就不能達到規定的容量,因此這種產品在最終檢測中就會視為是不良品。所以,像這樣讓固態電解質浸透的技術就是固態電解質的一項關鍵技術。
 

 
      最終走向全固態電池需要經歷不同階段。左起是現有的液態電解質結構。中間階段就是鋰金屬負極,并將固態電解質與正極分離,這樣雖然會提高安全性,但卻很難浸透電解質(low wetting ability),因此就會影響到能量密度。最終就是要通過改善工藝,讓電解質可以均勻地分布在正極上,這樣才算是固態電池的最終完成,與液態相比,安全性和性能都會提高。
 
正負極材料的改善
 
      這里面有個問題就是,當固態電解質與正極混合在一起時,與液態相比是否可以讓鋰離子更加順暢地移動。因此就需要改善原有的石墨負極。在容量增大的情況下,如果仍采用石墨負極,厚度就會增加,因此只有降低負極的厚度才能夠提高能量密度。為了解決這個問題,目前主流的研究就是采用鋰金屬負極,三星在前段時間發表的論文中說到采用銀-碳納米粒子復合層所以,固態電池除了固態電解質的部分外,負極也需要改善為鋰金屬負極或是某種復合層材料。
 

 
      我們再了解下有關改善離子移動的內容。如圖紅色代表正極,黃色為全固態粒子。我們會看到粒子之間的接觸面不是特別多,所以會添加幫助離子傳導更加順暢的的物質(黑色)。
 

 
      正極部分也是需要改善的,正極材料可能會在現有的NCM或NCA材料上增加涂層有助于離子移動的材料(綠色),或者需要硫鋰等新的正極材料。這部分的開發也需要經過上面提到過的固態電解質一樣,需要投入大量的測試的人力和設備。液態電解質電池的極板需要經過焊接工序,但固態電池卻無法采用焊接工藝。而且正負極之間的界限較模糊,這部分就需要新的工序。
 

 
      如圖所示,可能會將正負極材料、電解質以粉末狀態加入,然后采用高溫加壓的方式。采用這種方式可能會存在固態電解質在極板內無法均勻分布的問題。所以在制造了負極和電解質后,再經過層壓,然后將正極材料噴灑在上面使其得以均勻分布;或者采用涂層的方式,以非常薄的厚度將正極、電解質、負極這樣堆疊。越接近左邊,所需的工藝就越難。所以這部分也要看究竟制造工藝可以達到什么精度,制造成本當然也會隨之增加。如果采用類似半導體的沉積法工藝或許是可行的,但那就會大幅增加制造成本了,也會成為批量生產的攔阻。因此,制造工藝及設備的選擇也是一個很重要的因素。
 

固態電池是下一波浪潮的關鍵

 

      此外,在最終“上車”之前,還要考慮電芯成組、電池包的問題。固態電池的電池包結構可能會更加簡單一些。因為固態電池的特性本身就是體積小、安全性高。與現有的三元鋰電池相比,電池包的制造成本將會更低。目前,在電動車中電芯所占的成本比重約為30%,那么到了固態電池時代這個比重可能會更高。因此誰掌握了固態電池技術那么就真的會在電動車市場有更大的話語權,所以我們也就能理解像大眾這樣的公司會斥巨資提前布局在固態電池上。

 

      那么到底誰會率先進入固態電池的量產呢?最近豐田和松下成立了電池合資公司。從松下的立場來看,他們雖仍舊與特斯拉在Nevada保持著穩定的關系,但其實本質上并沒有進一步擴大業務范圍。松下轉去與豐田合作,這在之前也提到過,或許是現有的電池技術很難再進一步降低成本,讓松下確保營業利潤最近LG化學也曾公開表示,和特斯拉的交易并沒能達到理想的利潤。因此,我們保守預測一下,松下與豐田是否會聯手率先將固態電池推向量產呢?

      目前超小型的固態電池已經開始進入商用了。村田推出了采用氧化物陶瓷電解質的1cm大小的固態電池。但目前只能用在特殊領域,首先可能進入手機市場。因此三星電子正在開發的全固態電池就非常有意義,因為三星可能首先推出搭載了固態電池的手機。

 

      另外還有中國也是一個很有希望的市場,清陶等企業都在開發固態電池。此外,這次大眾投資QuantumScape可能會成為整個固態電池技術發展的催化劑。

 

      目前動力電池市場的方向是NCM712、NCM811、NCMA,也是特斯拉、寧德、LG化學等在主導的市場。因此,像三星SDI和大眾等沒有在這次競爭中卡位成功的公司,很可能打算彎道超車直接在固態電池上發力。在未來的2-3年間,如果特斯拉們通過持續不斷地降低成本來確保利潤時,其他沒趕上這波的企業們再把握不住下一波的固態電池,很可能就徹底失去在電動車市場上的競爭力了。因此,固態電池技術真是變得越來越重要。

 

      目前在動力電池領域,其實利用現有的技術已經完全可以確保足夠的續航了。現階段各家主要是為了確保營業利潤,正在展開激烈的成本競爭。最具代表性的就是寧德和比亞迪開始在LFP上尋求突破,LG化學也率先采用了NCM712,他們也是在產能擴張上最積極的公司,因為只有同一款技術可能至少要經過2-3年才能把成本降到足夠低,確保利潤空間。相反,三星SDI、大眾、松下、豐田等公司態度可能略為不同,他們或許認為目前繼續在現有技術上增加投資,會很難確保足夠的利潤,認為存在著一定風險。所以說,他們采取了想要通過固態電池技術,重新奪回主導權的戰略。


(責任編輯:子蕊)
文章標簽: 固態電池 電池技術 大眾
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