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[分享]当续航 1000KM 成为硬指标,电池技术何去何从

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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。

1


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:

一、研发超越锂电池能量密度的新型电池,比如固态电池、锂硫电池、锂空气电池等。
二、在已有电池中添加更多元素,如钠离子、铝离子和镁离子电池。

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。

2


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:

一、安全性更好;
二、体型更加轻薄;
三、能量密度更高;
四、生产制造难度更低。

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。

3


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。


 
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只看该作者 1 发表于: 2021-03-07
电池技术何去何从是一个问题
我不喜欢说话却每天说最多的话,我不喜欢笑却总笑个不停,身边的每个人都说我的生活好快乐,于是我也就认为自己真的快乐。可是为什么我会在一大群朋友中突然地就沉默,为什么在人群中看到个相似的背影就难过,看见秋天树木疯狂地掉叶子我就忘记了说话,看见天色渐晚路上暖黄色的灯火就忘记了自己原来的方向。
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希望越来越好
我不喜欢说话却每天说最多的话,我不喜欢笑却总笑个不停,身边的每个人都说我的生活好快乐,于是我也就认为自己真的快乐。可是为什么我会在一大群朋友中突然地就沉默,为什么在人群中看到个相似的背影就难过,看见秋天树木疯狂地掉叶子我就忘记了说话,看见天色渐晚路上暖黄色的灯火就忘记了自己原来的方向。
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不错,了解了