固态电池:不容低估,不能指望
中国新能源车「赢麻了」。
2023年全球动力电池装机量前十企业中,中国企业占据了六席,市场份额超过60%。
据乘联会数据,2023年新能源乘用车国内零售销量达到773.6万辆,同比增长36.2%,全年市场渗透率已达35.7%。
如今国内新能源车的繁华景象,不是大风刮来的。
中国电动汽车百人会理事长陈清泰表示,这是得益于「我国储能电池技术和产业方面处于领先地位」。
然而,锂离子电池不是终点。
中国科学院院士欧阳明高认为,到2030年左右,全固态电池产业化突破的可能性极大。
中国不能只停留在“赢麻了”的思维上,新的挑战已然来临。
01
全方位吊打
全固态电池的研发时间,最早是从上世纪70年代开始。
只是后来随着2000年初锂离子电池的技术创新、大规模商用,行业对于全固态电池的关注度有所减退。
三十年河东,三十年河西,新一轮电池创新周期也许就在2030年开启。
全固态电池的核心,是固态电解质,当中主要分为了聚合物、氧化物和硫化物的三大路线。
其中,硫化物被认为是最佳的固态电解质材料,它的优势在于能量密度轻松达到三元锂电池的3倍。
欧阳明高指出,以硫化物固态电解质为代表的新型固态电解质发展迅猛,推动固态电池研发进入了新一轮热潮。
全行业将“下一代电池”的希望寄予在了固态电池,甚至认为这是液态锂电池的终结者,这主要得益于固态电池的「完美」属性。
首先,是高安全性。
当下各家在发布新能源车的时候,都会强调自家电池的安全卖点,这实际也反应出了液态电池天生的「不安全」属性。
液态电池在正负极流动产生电能的过程中,「热失控」一直是个重点关注难题。
反之全固态电池或半固态电池,由于没有液态物质或液态物质大幅减少,热稳定性要远超液态电池。
其中,硫化物固态电解质的热稳定性可以保持到300℃,至于液态电解质达到100℃就会蒸发,前者轻松增加了200°C的安全空间。
其次,全固态电池的能量密度也要超过液态电池,理论上限能达到500Wh/kg。
对于液态电池来说,提高能量密度和保证高安全性是个两难的命题。
现时业内主要做法,是在三元锂电池当中提高镍的比例,于是有了电池正极镍钴锰的含量比例为8:1:1的“811电池”。
只是过去国内也曾出现过811电池的自燃案例,以及搭载该类电池的车型在碰撞后快速起火,并未让用户感到完全安心。
相较来说,全固态电池在保证安全特性之下,由于无需隔膜与电解液,使得电芯里可供储能的空间加大了,由此也能得到更高的能量密度。
提高能量密度,意味着续航能力的提升。
更甚的是,全固态电池的续航能力基本不会因为温度变化而有所打折。
现在每到冬天,新能源车的续航问题常被诟病,这点是与液态电池的锂离子电导率和温度直接相关。
液态锂电子电池在低温下,电解液变得粘稠,电池中的内阻增加,导致锂离子的运动速度变慢,从而影响了电池性能表现。
不过,全固态电池的电解质在-30℃和100℃的范围内都不会凝固和气化,电池性能始终稳定,这样的温度适应范围足以覆盖了人类的生存圈子。
电车冬天续航打折,将在固态电池身上成为历史。
再者,液态电池的离子传导模式需要经过溶剂化、脱溶剂化等流程,充电功率因此受到了限制。
如果一味追求高充电功率,液态电池还会出现“析锂”现象,给电池造成损害。
反之全固态电池不用担心这一特性,充电速度得以大幅度提高。
像去年丰田就说到,它的全固态电池能做到充电10分钟,续航1200公里。
不怕冷、续航高、充电快、更安全,固态电池可谓全方位吊打液态电池。
然而「好」都是有代价的,至今没有厂商能将固态电池大规模量产,这实际已反应了难度之高。
02
难量产,真的难
早在2017年,丰田就说过计划于2020年实现固态电池商业化。
2019年,丰田改口称固态电池将在2020年亮相,2025年量产。
2020年8月,搭载全固态电池的丰田电动车开始行驶实验。
然而测试发现,丰田的全固态电池寿命非常短,据悉充放电800次就要报废,反观时下的动力电池则可以充放电超3000次以上。
2023年6月,丰田宣布已克服全固态电池的耐久性问题,计划将在2027年开始量产。
不过丰田没有具体说明是如何克服,该说法也因此备受质疑。
宁德时代董事长、总经理曾毓群在谈到固态电池时就表示,宁德时代深耕10多年,仍然认为难以形成有技术可行性和市场竞争力的产品。
「就像前几年行业在喊的石墨烯电池,某些技术仍然未见真正落地。」
全固态电池量产难的原因,离不开“贵”和“难”这两大要素。
前两年碳酸锂价格的飞涨备受关注,而作为固态电池原材料的硫化锂售价,就是跟前者的水平相当。
同时,由于硫化物电解质的化学稳定性较差,在潮湿环境下容易与空气中的水和氧气发生反应,产生有毒气体硫化氢。
因此,全固态电池给生产环境与原材料纯度提出了更高的要求,给量产增加了难度。
韩国新能源研究机构SNE报告指出,即便到了量产阶段,全固态电池的成本至少也是锂离子电池的两倍。
经济性不高,这始终是摆在全行业面前的一大瓶颈。
尽管全固态电池难以量产,但大家还是在开足马力往前赶。
此前本田宣布,计划在2024年启用全固态电池的示范生产线,将用于2020年代后半期推出的车型。
宝马计划2025年开始全固体电池车的公路测试,2030年前为量产车配备固态电池。
广汽集团提出,2026年将实现全固态电池的装车搭载。
日产则是计划到2028财年,推出搭载独创全固态电池的电动车型。
……
总的来说,大家都在朝着2030年左右全固态电池的产业化突破而努力。
欧阳明高认为,即便届时全固态电池只达到1%的市场份额,也是具备了突破性意义。
而在此1%的市场突破实现之前,现时各家都开始将目光放在折中路线上——半固态电池。
03
是折中,也是终极?
全行业都清楚,全固态电池的经济性不高。
因此,与其去着力攻破难题,倒不如先放低预期,转而考虑“共存和兼容”的问题。
半固态电池,是液态锂离子电池与全固态锂电池的折中方案。
电芯当中既有固态电解质,又有液态电解质,其中电解液的含量占比为5~10%。
从产业端来说,半固态电池能兼容到现有工艺、设备及材料,有快速落地的可能。
像卫蓝新能源就曾提及,半固态电池可以尽可能借用现有液态电池的装备和工艺,其中仅有10%-20%的工艺设备要求不同。
得益于此,电池厂商纷纷加快了半固态电池的生产步伐。
孚能科技表示,自主研发的第一代半固态电池已顺利量产,搭载在大运集团的远航Y6上。
赣锋锂业则是在2021年,跟东风合作开发了50辆搭载半固态电池的东风风神E70。
而最为人熟知的,是卫蓝新能源为蔚来ET7(图片|配置|询价)提供的150kWh、电芯能量密度达360Wh/kg的半固态电池。
2021年1月,蔚来发布150kWh半固态电池,而在跳票两年多以后,终于将该电池的应用提上了日程。
早前李斌亲测150kWh电池包的续航水平,在走过1044公里以后,系统显示剩余电量3%、平均百公里能耗13.2kWh,预计仍可行驶超30公里。
蔚来表示,争取在今年一季度将150kWh电池开放给用户,但最终保有量并不多。
卫蓝新能源曾在去年表示,该150kWh电池的年量产目标是1000个。
其中作为大规模量产的拦路虎,还是在于「成本」。
此前蔚来就曾提及,这块150kWh半固态电池的成本,与一辆蔚来ET5的售价相当。
一款价值30万的半固态电池,其商品化之路注定将走得曲折。
蔚来表示,这款150kWh半固态电池「只租不卖」。
值得一提的是,此前智己宣布,今年上半年将量产首款半固态电池车型。
结合过去官方提到,将推出的智己L6最高续航突破1000km,不难推断该车将提供半固态电池的搭配。
相较之蔚来只租不卖的做法,智己L6将如何定价该配置版本,这有望成为全行业的风向标。
固态电池带给了大家强大性能的期许,但也多少叫人“绝望”。
半固态电池已是这样贵了,全固态电池则更加难以想象。
况且,半固态电池已能取得超1000公里的续航表现,全固态电池能给到的实际感知提升亦将有限。
如果全固态电池的应用价值不大,那么转向对燃料电池的研发,也许才更加值得。
于是有业内人士认为,半固态电池或是动力电池领域的终级路线。
半固态电池这个选择,看似「折中」,大概也是「终极」。
从理论阶段到实验室,接着到产品、再到商品,这是新技术完成商品化的必经之路。
在10年以前,纯电动车的售价还是高不可攀,但10年以后,已经出现了较之燃油车更划算的定价现状。
半固态电池此时的「贵」,也需要时间去把成本和售价攻克下来。
站在国家层面来说,续航里程够不够、投入产出比高不高、商品化所需要时间长不长,这都不是核心问题。
最核心的是,谁掌握了电池,谁就拥有了新能源车市场。
我们不知道,什么时候半固态电池能真正得到大规模的商用。
但有一点可以肯定的是,这条路线我们还将坚定走下去。