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颠覆电动车行业?固态电池到底是什么

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华尔街见闻 2020-12-10 16:44

12月9日,一则“丰田汽车有望成为全球首家量产搭载固态电池汽车厂商”的重磅新闻轰动市场。

《日经新闻》报道,丰田目前正在开发的固态电池汽车,在同等条件下的续航里程是采用传统锂离子电池的超过两倍;而且充满电只需要大约10分钟,相比于传统电动汽车缩减了至少三分之二。

不难看出,相对于传统锂电池电池,固态电池不仅意味着安全性的提升,充电时间和续航里程也有提高。对整个汽车行业而言,如果固态电池电动车量产,那么电动车行业都将迎来颠覆性转变。

那么固态电池到底是什么?

什么是固态电池?

动力电池可以算作电动车的“心脏”。

这次所提到的固态电池与传统锂离子电池最大的不同在于电解质。

传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。正负极材料决定了电池的容量,电解液及隔膜作为传输锂离子的介质。

固态电池则是使用固体电解质,替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。固态锂电池之所以受欢迎,主要是各方面优势突出:不仅安全性更好、起火风险大幅降低,能量密度也高于采取相同正负极材料的传统锂电池。

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图片来源:天风证券

从电介质材料来看,目前已经在使用或接近商用的固态电池的电解质有聚合物、硫化物和氧化物三种,氧化物固态电池是综合前景最好的。

天风证券在今年8月的一份报告中表示,氧化物电解质的优势是稳定性好,循环寿命长(可达 1000次以上),能量密度较高,倍率性能较好,同时成本较低;主要缺陷是界面接触问题尚未完美解决。

相比之下,硫化物电解质工业化较难,与电极接触时的界面阻抗普遍较高;聚合物电池在移动电源市场上已经做到了量产,但是充电倍率较差,能量密度较低。

固态电池安全性能突出

尽管如今动力电池有不同的技术路线,但是各有优缺点,令电动车制造商们最头疼的问题之一就是电池起火。

目前动力电池的锂电池主要分为两个技术路线,磷酸铁锂和三元锂电池。其中三元锂电池又分为NCA镍钴铝和NCM镍钴锰。虽然三元锂电池能量密度高,但是电池安全隐患大。

天风证券在今年9月的研报中提到,锂电池快充带来的安全隐患,包括热效应和析晶。

热效应:大电流充电,内阻的增大会导致焦耳发热效应加剧带来副反应,如电解液的反应分解、产气等一系列问题。 析晶:造成电池短路的危险。

相比之下,固态电池安全性能卓越,是锂电池安全性的关键解决方案之一。

核心问题:续航里程呢?

除了安全问题之外,如今阻碍许多消费者购买电动车的因素之一也包括里程问题。只有解决了续航里程和充电问题,新能源汽车的便利性才会大大提升。

电池续航里程与一个重要的参数有关:能量密度。天风证券认为,目前固态电池在突破能量密度天花板上具有优势,而且成组效率也更高;此外,固态电池也支持快充。

固态电解质体系因为减少了电解液和隔膜(换成了固态电解质),赣锋采用同样正负极的固态电池能量密度高于传统电池。 而且固态电池可以采用能量密度更高的金属锂作为负极,从而进一步提升电池能量密度。赣锋预计第三代固态电池可以将电芯能量密度提升到400WH/KG。 固态电池适合采用CTP刀片电池的布局,成组效率高于传统锂电池,成组阶段还能再次提升能量密度。
这家比尔·盖茨看好的公司更厉害?

近日除了丰田汽车的新闻之外,一家专注固态电池技术的初创企业QuantumScape公布了令人振奋的研发进展。

QuantumScape 12月8日在官网披露,其最新试验结果显示,该公司的技术解决了阻碍高能量密度固态电池广泛采用的许多基本问题,包括充电时间、循环寿命、安全和运行温度。

基于单层电池测试的结果显示,该公司的固态电池只要15分钟就能充电80%,比传统电池或其他固态电池路线的速度更快。此外,数据还显示,该技术适应的温度范围也极为广泛,甚至在零下30摄氏度也能运行。

图片来源:QuantumScape官网

该项成果也受到了锂离子电池共同发明者、2019年诺贝尔化学奖得主Stan Whittingham的肯定。

Stan Whittingham表示,制造固态电池最难的部分是需要同时满足高能量密度(1,000 Wh/L)、快速充电、长循环寿命和广泛温度范围的要求。这次的数据显示,QuantumScape的电池单元满足所以这些要求,这是以前从未报道过的。

如果QuantumScape可以把这项技术投入量产,那么它就有可能改变整个行业。

能量密度1,000 Wh/L是什么概念?

据Cnbeta,按重量计,其能量密度相当于 380~500 Wh / kg。作为对比,曾有研究学者表示,特斯拉Model 3所使用的松下“2170”电池的能量密度在260 Wh/kg。

QuantumScape这家公司成立于2010年,今年11月通过SPAC壳公司上市。值得注意的是,这家公司获得了许多大佬的支持,包括大众汽车、比尔·盖茨等等。

公司CEO Jagdeep Singh表示,如今的电池不具备竞争力,能量密度不足以获得理想的续航里程,同时充电速度也很慢。他举例称,传统内燃机汽车加油只要5-10分钟,但是如今最好的电池充电也要1小时。

这家初创公司的解决办法就是像卡片一样大小的固态电池。QuantumScape的设计不同之处在于,其固态电池有两层,包括阴极和固态陶瓷隔板,没有制造阳极。当电池充电时,锂离子离开阴极,穿过陶瓷隔板,在阳极集成板上形成一层薄金属层,形成阳极。

图片来源:QuantumScape招股书
图片来源:QuantumScape官网 固态电池哪家强?

上文已经提到,目前固态电池的电解质主要有聚合物、硫化物和氧化物三种,全球不同地区的企业也偏向不同的体系。

天风证券指出,粗略来看,欧洲固态电池主要是聚合物体系,美国是固液混合,在亚洲中日韩主要是氧化物。

图片来源:天风证券

法国的Bollore是聚合物固态电池。横向比较来看,其循环性较好,但是能力密度较低,而且科研开支逐年递减。

日本的丰田汽车则是采用硫化物路线,上游就涉及到金属和化学工业厂商。

此次日经的报道称,三井金属(Mitsui Kinzoku)将在埼玉县建设一座试验厂房,为这种电池生产固态电解质;日本石油公司出光兴产(Idemitsu Kosan)也同样在它位于千叶市的生产基地部署固态电解质生产设备。

国内方面,赣锋锂业、清陶能源走的是氧化物路线,宁德时代是硫化物路线。

其中,清陶能源的固态电池能量密度可达400Wh/kg以上,赣锋锂业固态电池的能量密度在240Wh/kg,宁德时代理论可达400Wh/kg。

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