充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭

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摘要:固态电池难在量产。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭

充电10分钟,续航500公里,且安全隐患降到最低——丰田近日宣布,将于2021年推出固态电池。

巧的是,大众投资的初创公司Quantum Scape,几乎同时公布了其固态电池最新性能数据。

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QuantumScape的固态电池(右)比普通锂离子电池(左)在单位重量和体积上储存更多的能量

数据显示,Quantum Scape的固态电池能将电动汽车的续航里程提升80%,并在15分钟内充满80%的电量,将于2024年实现量产。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭QuantumScape实验室

一直以来,业内普遍认为,电动汽车彻底替代燃油汽车的关键条件,就是将现有电池系统能量密度翻上一倍,达到400wh/kg,而这样的指标,只有通过固态电池才能实现。

这是一次足以颠覆市场格局的技术迭代,不少车企和动力电池企业都试图抢得先机,目前看来,领跑的还是丰田。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭近日,在底特律举行的北美国际车展上,丰田汽车总裁丰田章男介绍固态电池概念车

液态电解质存在先天不足

目前,电动汽车的电池系统能量密度普遍只有160wh/kg,而且很难继续往上突破,这是因为液态锂电池存在先天不足。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭汽车电池系统能量密度普遍不高

目前,动力电池主要由正极、负极、电解液和隔膜构成。

不论磷酸铁锂电池还是三元锂电池,正极都由高纯度含锂金属氧化物组成,负极则是由石墨组成的一种层状结构,正负极之间包含着高纯度电解液,可以让锂离子自由流动。

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在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池完成了充放电过程。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭锂电池充电示意图

为了避免发生短路,锂电池内部正负极之间有一层绝缘隔膜,在防止正负极接触的同时,允许锂离子透过隔膜转移。

一旦绝缘隔膜破损,就会引发短路发热,从而导致电池包起火。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭锂电池安全试验

问题在于,绝缘隔膜非常脆弱,外部撞击造成异物穿刺,有可能导致绝缘隔膜破损;电池充放电次数增多,锂枝晶生长出的锐利尖端,也有可能刺穿绝缘隔膜;而电池过充过放,电解液发热后会分解出气体,在电池内部形成压力后导致锂电池膨胀,同样会诱发隔膜破裂,进而导致短路起火。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭显微镜下锂电池锂枝晶生长

因此,电动汽车不仅需要通过电池管理系统防止热失控,还要为电池加上坚硬的外壳、泄压防爆保护装置,并在电池与乘员舱之间设置厚厚的阻燃层,通过降低电池自燃风险和延长逃生时间双管齐下,将电动汽车的安全隐患降至最低。

电池的能量密度与安全性是一对矛盾。

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提升电池能量密度,主要通过增加电池正极的活性材料实现,但当增加材料超出一定比例,就会导致电池内部活性物质异常活跃,就越需要额外的保护,反而造成电池组能量密度下降。

固态锂电池性能惊人

如何兼顾电池的高能量密度和安全问题?一直以来,业内公认最后的方案一定是固态电池。

固态电池的原理与传统锂电池相同,只不过其电解质为固态,具有的密度及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。

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此外,固态电池温度工作范围更广,稳定性更强,不易燃烧、不易爆破、无电解液走漏。

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即便在大电流下工作,固态电解质也不会因出现锂枝晶刺穿隔膜导致短路,这意味着快充时间也可以大幅缩减。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭三星固态电池放电示意图

从技术角度看,固态电池的研发存在诸多难点,比如电解质与电极之间以及电极内部颗粒间的固界面问题。

如果界面电阻较高,大电流使用时能量损失就较大,难以实现快速充放电,对固态电池原有的优势是一种消耗。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭Quantum Scape15分钟快速充电展示图

不过,在学界和工业界持 之以恒的热情下,固态电池技术正在持续获得突破。

从Quantum Scape在12月10日公布的数据看,其最新固态电池的性能非常惊人:

电池能量密度达到380-500wh/kg,而特斯拉充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭Model 3(参数|图片)的松下2170电池为260wh/kg;

15分钟内就能充满80%的电量,而现在的动力电池至少需要40分钟;

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Quantum Scape从事固态电池研究已有十年,是从斯坦福大学一个实验室中剥离出来,并得到了美国能源部的资助。

该公司现已获巨额投资,还与大众签署协议,将合作延伸到制造阶段,计划在2024年下半年开始量产新型固态电池。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭Quantum Scape

目前,全球固态电池专利最多的企业是丰田,他们在固态电池领域拥有超过1000项专利,占全球专利数量13%。

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不过,丰田的研发时间表也和Quantum Scape大体一致,他们计划在2021年推出搭载固态电池的原型车,充电速度从0到100%仅需15分钟,并预计在2025年实现大规模量产。

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丰田正在加速量产准备

固态电池的量产还需要4-5年,主要是因为目前的生产工艺,还无法满足量产的需要。

丰田此前便透露,为概念车生产的固态电池,必须在“超干”、“非水环境”中制造,做法是在透明的工作箱中,工人使用密封的橡胶手套组装电池。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭制造固态电池的过程和工人装备(图为Solid Power工厂)

固态电池要实现量产,还需要完善的产业链作为支撑,让更多配套商投入到生产和研发工作中来,一起分摊昂贵的材料成本和制造成本。

随着丰田持续加码固态电池,电池材料配套商也在快马加鞭建立必要的基础设施。

三井矿业与冶炼公司将在埼玉县启动一个试点设施,从明年开始每年生产数十吨固态电解质,来满足丰田原型车的订单。

石油公司出光兴产正在千叶县的工厂安装固体电解质生产设备,明年开始运营。

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住友化学也在利用金属和化学工业方面的专长,开发硫化物材料的固态电解质。

此外,日本政府一直在鼓励开发固态电池,且正在组建一个约2万亿日元(192亿美元)的基金来支持降排技术,可能会为新型电池的开发提供数千亿日元的补贴。

除了丰田和大众,福特与宝马共同支持的电池初创公司Solid Power日前也表示,有望在2022年初开始测试用于汽车生产的固态电池。

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Solid Power已经宣布其22层固态电池正式下线,目前能量密度可以达到330Wh/kg,预计到2022年超过400Wh/kg。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭左为新20安培22层固态电池,右为第一代2安培多层固态电池

Solid Power首席执行官兼联合创始人道格·坎贝尔表示,除了福特以外,目前公司正在与超过8个车企进行谈判,希望能够达成合作。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭Solid Power公司固态电池生产线

按照该公司的原计划,他们将在2026年将固态电池装车生产。

在固态电池“军备竞赛”进入白热化之际,我国的动力电池供应商也在积极研发。

宁德时代、国轩高科、蜂巢、赣锋锂业、天齐锂业、辉能、珈伟新能等锂电企业,以及比亚迪、蔚来、北汽、长城等车企皆有参与固态电池研究。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭资料来源:前瞻产业研究院

其中,国轩高科在今年9月披露了在固态电池方面的布局,表示争取2025年后生产出能量密度超过400Wh/kg、循环800次的全固态电池。

充电10分钟,续航500公里,丰田大众要靠固态电池逆袭资料来源:国轩高科ppt

而在今年年初,宁德时代还曾表示,他们的全固态电池还在开发中,恐怕要到2030年以后才能实现商品化,但是随着丰田等公司纷纷加快量产节奏,不知道宁德时代是否会改变自己的技术路线。

在《中国制造2025》中,曾明确了动力电池的发展规划:2025年,电池能量密度达到400Wh/kg;2030年,电池能量密度达到500Wh/kg。

目前看来,也只有固态电池可以满足这一要求。

文|贡晓丽 王安忆

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