大眾們?yōu)楹委偪褡非蠊虘B(tài)電池技術(shù)?

時間:2020-07-07 10:30來源:Astroys 作者:Astroys
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       上個月大眾向固態(tài)電池初創(chuàng)公司QuantumScape投資2億美元,這個金額很令人乍舌,幾乎相當于對于一家企業(yè)的收購金額。QuantumScape源于斯坦福大學(xué)的研究項目組,2012年獨立成為公司。大眾在2018年就投了100萬美元,但此次追加至2億美元,可見固態(tài)電池技術(shù)對于大眾的戰(zhàn)略重要性。
 
      在目前階段,固態(tài)電池的開發(fā)還要解決一系列的課題。首先就是要開發(fā)固態(tài)電解質(zhì),另外正負極材料、電芯極板的制造等都需要改進。最后,固態(tài)電池如果可以真正投入量產(chǎn)也會對整個電動車行業(yè)帶來重要的影響。
 

固態(tài)電解質(zhì)
 

      目前固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)主要分為三種技術(shù)路線,硫化物系、氧化物系、聚合物系。目前普遍認為硫化物系最具優(yōu)勢,但這也不是最終確定的。固態(tài)電解質(zhì)需要滿足五種條件,比液態(tài)電解質(zhì)更高的離子傳導(dǎo)性、正負極的化學(xué)互換性、更寬的電化學(xué)窗口、幾乎可忽略不計的電子傳導(dǎo)性,以及更高的能量密度。能開發(fā)出滿足這些特性的固態(tài)電解質(zhì)是最重要的,為此目前業(yè)界正在進行著許多嘗試。
 
      從硫化物系來看,目前有著對于各種電解質(zhì)的研究,這部分是非常專業(yè)的部分,就不詳細說明了。在現(xiàn)有的鋰電池結(jié)構(gòu)中,必須加入各種電解質(zhì)持續(xù)進行測試。氧化物系與聚合物系目前也有多個測試對象,而且這些測試對象還在持續(xù)增加。而這些物質(zhì)全部都需要經(jīng)過測試,并制造出測試用的電池,需要持續(xù)進行實驗與驗證。這些工作本身就需要許多實驗工具、人力、設(shè)備等的投入,最終其實就是資本的比拼。
 
      因此,大眾投資QuantumScape本質(zhì)上就是在支付一筆測試成本。經(jīng)過充分的測試,最終可以開發(fā)出適用的固態(tài)電解質(zhì)的概率會增加。不管怎樣,最終都必須需要達到與目前液態(tài)電解質(zhì)趨同的性能,才有可能轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。
 

 
      這張圖片是目前液態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)。一般我們看到類似的結(jié)構(gòu)圖時,經(jīng)常會誤以為液態(tài)電解質(zhì)的形態(tài)幾乎是流動的液體。
 

 
      我們拿圓柱形電池觀察一下,實際電池內(nèi)部的正負極是非常緊密地貼合在一起的。所以電解質(zhì)不是充分地以液體的形式浸透,而是滲入在極板之間的。甚至從截面來看,這個電解質(zhì)甚至看起來并不像是液體。
 

 
      這是在聚合物電池上注入電解質(zhì)工序的圖片。電解質(zhì)需要經(jīng)過一段時間緩慢地滲入到極板之間,或者是采用真空的方式等。因此注入電解質(zhì)也是一項非常重要的技術(shù)。
 

 
      我們來看這張圖片,極板之間有藍色代表的電解質(zhì),但左上看還有很多是白色區(qū)域,就是還沒有充分的浸透的部分。但我們從左下、右下如果放大看,就可以明顯看出濕與干的區(qū)別。未充分浸透的部分就不能達到規(guī)定的容量,因此這種產(chǎn)品在最終檢測中就會視為是不良品。所以,像這樣讓固態(tài)電解質(zhì)浸透的技術(shù)就是固態(tài)電解質(zhì)的一項關(guān)鍵技術(shù)。
 

 
      最終走向全固態(tài)電池需要經(jīng)歷不同階段。左起是現(xiàn)有的液態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)。中間階段就是鋰金屬負極,并將固態(tài)電解質(zhì)與正極分離,這樣雖然會提高安全性,但卻很難浸透電解質(zhì)(low wetting ability),因此就會影響到能量密度。最終就是要通過改善工藝,讓電解質(zhì)可以均勻地分布在正極上,這樣才算是固態(tài)電池的最終完成,與液態(tài)相比,安全性和性能都會提高。
 
正負極材料的改善
 
      這里面有個問題就是,當固態(tài)電解質(zhì)與正極混合在一起時,與液態(tài)相比是否可以讓鋰離子更加順暢地移動。因此就需要改善原有的石墨負極。在容量增大的情況下,如果仍采用石墨負極,厚度就會增加,因此只有降低負極的厚度才能夠提高能量密度。為了解決這個問題,目前主流的研究就是采用鋰金屬負極,三星在前段時間發(fā)表的論文中說到采用銀-碳納米粒子復(fù)合層。所以,固態(tài)電池除了固態(tài)電解質(zhì)的部分外,負極也需要改善為鋰金屬負極或是某種復(fù)合層材料。
 

 
      我們再了解下有關(guān)改善離子移動的內(nèi)容。如圖紅色代表正極,黃色為全固態(tài)粒子。我們會看到粒子之間的接觸面不是特別多,所以會添加幫助離子傳導(dǎo)更加順暢的的物質(zhì)(黑色)。
 

 
      正極部分也是需要改善的,正極材料可能會在現(xiàn)有的NCM或NCA材料上增加涂層有助于離子移動的材料(綠色),或者需要硫鋰等新的正極材料。這部分的開發(fā)也需要經(jīng)過上面提到過的固態(tài)電解質(zhì)一樣,需要投入大量的測試的人力和設(shè)備。液態(tài)電解質(zhì)電池的極板需要經(jīng)過焊接工序,但固態(tài)電池卻無法采用焊接工藝。而且正負極之間的界限較模糊,這部分就需要新的工序。
 

 
      如圖所示,可能會將正負極材料、電解質(zhì)以粉末狀態(tài)加入,然后采用高溫加壓的方式。采用這種方式可能會存在固態(tài)電解質(zhì)在極板內(nèi)無法均勻分布的問題。所以在制造了負極和電解質(zhì)后,再經(jīng)過層壓,然后將正極材料噴灑在上面使其得以均勻分布;或者采用涂層的方式,以非常薄的厚度將正極、電解質(zhì)、負極這樣堆疊。越接近左邊,所需的工藝就越難。所以這部分也要看究竟制造工藝可以達到什么精度,制造成本當然也會隨之增加。如果采用類似半導(dǎo)體的沉積法工藝或許是可行的,但那就會大幅增加制造成本了,也會成為批量生產(chǎn)的攔阻。因此,制造工藝及設(shè)備的選擇也是一個很重要的因素。
 

固態(tài)電池是下一波浪潮的關(guān)鍵

 

      此外,在最終“上車”之前,還要考慮電芯成組、電池包的問題。固態(tài)電池的電池包結(jié)構(gòu)可能會更加簡單一些。因為固態(tài)電池的特性本身就是體積小、安全性高。與現(xiàn)有的三元鋰電池相比,電池包的制造成本將會更低。目前,在電動車中電芯所占的成本比重約為30%,那么到了固態(tài)電池時代這個比重可能會更高。因此誰掌握了固態(tài)電池技術(shù)那么就真的會在電動車市場有更大的話語權(quán),所以我們也就能理解像大眾這樣的公司會斥巨資提前布局在固態(tài)電池上。

 

      那么到底誰會率先進入固態(tài)電池的量產(chǎn)呢?最近豐田和松下成立了電池合資公司。從松下的立場來看,他們雖仍舊與特斯拉在Nevada保持著穩(wěn)定的關(guān)系,但其實本質(zhì)上并沒有進一步擴大業(yè)務(wù)范圍。松下轉(zhuǎn)去與豐田合作,這在之前也提到過,或許是現(xiàn)有的電池技術(shù)很難再進一步降低成本,讓松下確保營業(yè)利潤最近LG化學(xué)也曾公開表示,和特斯拉的交易并沒能達到理想的利潤。因此,我們保守預(yù)測一下,松下與豐田是否會聯(lián)手率先將固態(tài)電池推向量產(chǎn)呢?

      目前超小型的固態(tài)電池已經(jīng)開始進入商用了。村田推出了采用氧化物陶瓷電解質(zhì)的1cm大小的固態(tài)電池。但目前只能用在特殊領(lǐng)域,首先可能進入手機市場。因此三星電子正在開發(fā)的全固態(tài)電池就非常有意義,因為三星可能首先推出搭載了固態(tài)電池的手機。

 

      另外還有中國也是一個很有希望的市場,清陶等企業(yè)都在開發(fā)固態(tài)電池。此外,這次大眾投資QuantumScape可能會成為整個固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展的催化劑。

 

      目前動力電池市場的方向是NCM712、NCM811、NCMA,也是特斯拉、寧德、LG化學(xué)等在主導(dǎo)的市場。因此,像三星SDI和大眾等沒有在這次競爭中卡位成功的公司,很可能打算彎道超車直接在固態(tài)電池上發(fā)力。在未來的2-3年間,如果特斯拉們通過持續(xù)不斷地降低成本來確保利潤時,其他沒趕上這波的企業(yè)們再把握不住下一波的固態(tài)電池,很可能就徹底失去在電動車市場上的競爭力了。因此,固態(tài)電池技術(shù)真是變得越來越重要。

 

      目前在動力電池領(lǐng)域,其實利用現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)完全可以確保足夠的續(xù)航了。現(xiàn)階段各家主要是為了確保營業(yè)利潤,正在展開激烈的成本競爭。最具代表性的就是寧德和比亞迪開始在LFP上尋求突破,LG化學(xué)也率先采用了NCM712,他們也是在產(chǎn)能擴張上最積極的公司,因為只有同一款技術(shù)可能至少要經(jīng)過2-3年才能把成本降到足夠低,確保利潤空間。相反,三星SDI、大眾、松下、豐田等公司態(tài)度可能略為不同,他們或許認為目前繼續(xù)在現(xiàn)有技術(shù)上增加投資,會很難確保足夠的利潤,認為存在著一定風(fēng)險。所以說,他們采取了想要通過固態(tài)電池技術(shù),重新奪回主導(dǎo)權(quán)的戰(zhàn)略。


(責(zé)任編輯:子蕊)
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