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硬核科普!新能源车最重要的固态电池,来了?

2022-11-21 来源:科技狐 浏览数:1

最近,新能源车圈又掀起了新的热议,而这个话题随着近期蔚来 ET7 的交付而变得更火了,它就是:固态电池。

凭借固态电池这个弯道超车点,国产新能源车能不能吊打特斯拉?这个吹得神乎其神的新技术,又到底实不实用?

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为什么需要固态电池?

在弄清楚固态电池之前,我们先得弄明白,电动车为什么需要固态电池,现在的电池不好用吗?没错,归根结底,就是当前常见的液态电池,已经到了发展瓶颈。

电池的发展已经有快两百年的历史,如今最常见的是锂离子电池。高工作电压、快速充放电特性、长循环寿命、无记忆效应等众多优点,是它被普遍用于数码产品及电动汽车的原因。

虽然它性能优秀,但同样存在着难以跨越障碍:电池结构特性局限了电池性能,也是电池衰老和存在安全隐患的根本原因。

一般而言,电池由四大核心部件组成:正极、负极、电解质以及隔膜。

电池发电的原理,就是是两个电极材料在电解液中相互交换离子,但这个结构也会使得其反应界面一直存在,也就是电池处于一直在工作的状态,容易衰老并且也存在安全隐患。

正负极作为电池氧化反应的核心,其重要性不用果子多说。根据正负极材料的不同,在新能源车上,目前主要采用磷酸铁锂和三元锂电两种锂电池。

磷酸铁锂电池由于没有钴等贵金属材料,价格相对低廉。它有耐高温、安全性能好的优点,但也有能量密度低、低温环境下放电性能弱的缺点。

至于三元锂电池,它采用镍钴锰作为正极,石墨作为负极。它的优点是能量密度大,电压更高,也就是说相同质量的电池组容量更大,性能更好。

但缺点是,200 度就容易起火,所以安全性能不如磷酸铁锂电池。

整体来看,三元锂电池有着更好的综合性能,但随着技术和工艺的迭代,目前三元锂电的单体能量密度已经接近极限,很难再有重大突破。

所以,一种能量密度高,安全性能好,循环性能高以及低温放电性能好的电池,对新能源车的发展就尤为重要。固态电池,正是有望解决这些问题的救星。

固态电池有什么好处?

新能源车怎样才能取代燃油车?目前在动力电池领域有一个公认的答案:电池系统能量密度起码翻一倍,也就是从普遍的 160Wh/kg 到 400Wh/kg。

要想解决电池的能量密度问题,就一定要进行动力电池的革新。

所以,消灭里程焦虑,固态电池的性能特征就是动力电池发展的目标,也是锂电池未来的发展新方向。

固态电池看着像是和液态电池完全相反的物种,但实际上只是一种在工艺和技术上,对现有锂电池进行改进的电池。

它和液态电池最主要的区别,就是把液态电解质替换为固态电解质,同时取消了隔膜。

为啥要用固态电解质?因为锂电池本身存在锂枝晶问题:锂电池在充电过程中,锂离子会在负极表面通过还原反应形成树脂状的锂原子晶体。

若是锂晶体刺穿隔膜来到正极,就会造成内部短路,引发起火。

所以,当新能源车不幸遭受车祸时,液态锂电池一旦受到挤压、冲击,就会导致隔膜破裂,造成正负极短路,同时锂电池内部产生大量热量,加上液态电解质里易燃的有机溶剂,就会造成电池起火甚至爆炸。

固态电池的使命之一,正是要解决这种不稳定性,提升安全空间。

把电解质的材料从液态替换为固态后,由于锂枝晶在固态电解质中生长缓慢且难刺透,可燃性差,所以固态电池的热稳定性更强。解决了安全问题,固态电池就可以采用更高性能的正负极材料,使得能量密度突破 300Wh / kg。

理想很丰满,新能源车用固态电池,能在同等体积电池包的情况下,拥有更长的续航里程,更安全的运作环境,更长的电池寿命,同时也能提升新能源二手车的保值率。

可以说,这些都直击新能源车企和用户的痛点。

现实嘛……通常很骨感。既然固态电池那么好,那大伙儿都用上了吗?

何时用上固态电池?

对固态电池应用最积极的,是国内的车企。

早在 2021 年初,蔚来就声称将在 2022 年发布的 ET7 上搭载全新研发的固态电池。但等到股票大涨后,蔚来又改口说,在 NIO Day 上介绍的固态电池,其实是半固态电池。

今年一月,东风方面宣称,首批 50 辆东风风神 E70 固态电池车在江西新余完成交付,这批固态电池由东风与赣锋锂业合作开发。

在投资者的质问之下,赣锋锂业最终承认:东风 E70 装车的电池是半固态电池。

这是因为,E70 固态电池公布的能量密度是 235—280Wh / kg,离国际上公布的低值标准 400Wh / kg 还有相当大的差距。它最关键的结构,电解质,也并非全固态,只能算固液混合锂离子电池。

半固态电池只是一种过渡方案,它的固态电解质仅仅涂抹在电极或隔膜的表面,但电池依然依赖于液态电解质来进行锂离子交换。

也就是说,半固态电池同样存在由液态电解质所引起的漏液、热失控等安全风险。

如果说蔚来和东风都只是虚晃一枪,那真·固态电池啥时候能用上?

大众、福特、宝马等车企,包括宁德时代在内的电池企业都一致认为,全固态电池产业化要到 2025 年才会开启,甚至到 2030 年前,液态电解质锂离子电池都依然是主流。

就连手握大量固态电池专利的丰田,也在不断推迟固态电池量产时间表,最新的消息已是 2028 年。

丰田计划在 2025 年前全固态电池实现小规模量产,并首先搭载在混动车型上;在 2030 年前实现持续、稳定生产。

大众多次投资固态电池开发商 QuantumScape,并计划在 2024 年至 2025 年间开始批量生产固态电池。

宝马和福特曾联手投资美国固态电池商 Solid Power。宝马计划在 2025 年前推出应用固态电池的原型车,并于 2030 年前应用于量产车。

奔驰和 Stellantis 则投资了美国固态电池制造商 Factorial Energy。此外,奔驰还与中国台湾固态电池企业辉能科技合作,计划 2028 年实现固态电池批量生产。

固态电池研发周期之长,主要还是受限于固态电池的电解质特性、工艺的难度,以及其高昂的制造成本。

 

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