​1秒充电1公里,宁德时代发布神行PLUS电池,固态电池还有多远

​1秒充电1公里,宁德时代发布神行PLUS电池,固态电池还有多远

老李头 / 2024-04-26 18:42298683

近年来,新能源电车行业蓬勃发展,无论是智驾、车机互联、电机等方面都出现了长足的进步,但这座“大厦”上空始终有一片“乌云”,那就是电池。

2024年4月25日,北京国际汽车博览会首日,宁德时代发布了全球首款兼顾1000km续航和4C超充特性的磷酸铁锂电池新品——神行PLUS。这款号称充电10分钟即可补能600km续航,实现“1秒1公里”的超级补能电池,为我们展示了其在电池技术领域的最新成就,也再次点燃了公众对于固态电池这一革命性技术的关注。 

图片1.png

由于电解质材料大部分不可燃,固态电池可以说是从根本上解决了传统液态电池中电解液易燃的问题,在热稳定性和电化学稳定性方面也比液态电池更高,再加之更高的能量密度意味着更小的体积,这让“寸土寸金”的车内空间有了更多扩展的空间,也使其成为了很多人眼中彻底解决新能源车电池问题的“最优解”。 

图片2.png

液态锂离子电池与固态电池性能对比,图来自《全固态锂电池技术的研究现状与展望》

然而,尽管固态电池以其卓越的安全性能、高能量密度和长寿命等优势,被誉为新能源汽车的“终极解决方案”,它的商业化之路却似乎总是“只闻楼梯响,不见人下来”。为什么固态电池有这么多优点,却仍然难以真正普及商用?让我们先从一切的开始聊起……

为什么固态电池是必然的大势所趋?

众所周知,液态电池的安全性问题一直被很多人诟病。在电池充放电过程,尤其是高电流密度下,锂离子从正极移动到负极的过程中,可能会在负极表面出现不均匀沉积,进而形成锂枝晶(Li dendrites),这可能会穿刺电池内部用于隔离正负极的隔膜,导致正负极之间发生非预期的电气连接,也就是短路。 

图片3.png

锂枝晶生长刺破隔膜引发电池起火,图来自YND科研绘图

短路会导致大电流通过电池,进而产生大量热量,使其内部温度迅速升高,也就是“热失控”现象。而这是一种连锁反应,不仅会降低电池性能,还有可能会导致电池内部化学物质分解,放出更多的热量和气体,增加电池内部压力,进而导致电池破裂或燃烧,这也是很多电动车出现自燃的一个重要原因。

这是液态电池由本身特性而产生的问题,也是制约液态电池快充技术发展的重要原因。从运作原理来看,液态电池中锂离子是运载传导,而固态电池中锂离子是跳跃传导,速度更快,充放电速率更高,在化学性质上却比液态电池更加稳定,具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发等特性。 

图片4.png

液态锂离子电池受热易失控

而且由于固态电池无需电解液和隔膜把液体包裹起来防止漏电,而是可以叠起来串联,这样就有可能进一步缩减电池包重量和体积,提高续航能力。固态电池还可以通过简化封装、冷却系统,进一步缩减电池重量,体积能量密度相比石墨负极的液态锂电池大幅提升,有望进一步解决新能源汽车里程焦虑这个一直以来难以解决的问题。

如果说到一直以来未能解决的问题,恐怕很多人都会率先想到电车冬天续航里程下降的问题,这主要由于液态电池一般工作稳定在-10℃到45℃,而这就意味着在中国北方很多省份,液态电池在冬季使用都会不同程度受到影响;与之相对的是,固态电解质的工作温度一般在-30℃到100℃,除了极寒地区一般续航不会有太多缩减,也不需要太复杂的热管理系统。 

图片5.png

对电动车低温续航的关注成为很多消费者和测试者重点关注的对象

人们对“里程焦虑”不仅包含了对续航的担忧,也有对电池使用寿命的忧虑。在目前的液态电池中,三元电池寿命平均为500-1000次循环,磷酸铁锂寿命可达2000次,而全固态电池在寿命方面相比液态电池则是上了一个量级,薄膜全固态未来可达45000次循环,实验室阶段5C(“C”指电池充放电倍率,“5C”即电池在1/5小时内完成额定容量放电)寿命更是可以达到10000次,相比液态电池显示出固态电池更高的性价比。

除了这些内在的原因以外,随着全球对减少温室气体排放及空气污染的关注不断增加,电动汽车的市场正在迅速扩大,这无疑推动了对更高能量密度、更快充电速度和更长寿命电池的需求,也为固态电池的应用提供了广阔的市场空间。 

图片6.png

固态电池应用市场渗透率预测,图来自前瞻产业研究院

近年来,我国政府相关部门出台了一系列政策支持固态电池产业发展。2020年10月,国务院发布的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》,首次将固态电池列入行业重点发展对象并提出了加快研发和产业化进程。

2023年1月,工信部等六部门联合发布的《关于推动能源电子产业发展的指导意见》,进一步提出加强固态电池标准体系研究,为固态电池行业的发展提供了明确、广阔的市场前景,为企业提供了良好的生产经营环境。 

图片7.png

固态电池行业政策,图片来自中商产业研究院

一切只是“看上去很美”?

那么既然固态电池有这么多优点,为何在市场中却不常见呢?

事实上,固态电池虽然被很多人认为是“下一代”的技术,但发展至今却仍然没有一条一以贯之的路径。

当前,固态电解质技术路线有氧化物固态电解质、硫化物固态电解质、卤化物固态电解质、氢化物固态电解质、薄膜固态电解质、聚合物固态电解质等6种技术路线,其中聚合物、氧化物、硫化物为三大主流固态电解质技术路线。 

图片8.png

固态电池分类,图来自知乎Terry Ye《固态锂电池技术发展现状》

这其中,聚合物电解质固态电池技术发展速度相对较快,技术也相对更加成熟,目前已经率先实现了商业化应用的小规模量产。不过,该技术仍然受到较低电导率和有限性能上限的制约,无法大规模应用。

氧化物电解质固态电池拥有更为全面的性能优势,发展速度较快。硫化物电解质固态电池因其较高的导电率和出色的性能表现,被认为最适合电动汽车,拥有更广阔的商业化前景,但这两条技术路径均面临界面稳定性差的研究难题。

我们都知道,固态电池界面为固-固接触,这就使其电导率往往会受到电极与电解质界面处高接触电阻的阻碍,电极和电解质物理接触很难做到理想的严丝合缝,使用中也会产生机械应力,虽然目前有一些例如溶胶凝胶、喷涂等技术可以做到稍稍改善,但彻底解决目前来看仍需时日。 

图片9.png

不过,虽然几条路线各有优势和难题,但仍然有很多厂商在这些路径上不断努力探索。在硫化物电解质固态电池应用方面,日本企业近期取得了不少进展。例如丰田汽车在2023年7月,成功开发了一种新型固态电池,据称该电池充电10分钟就能支持1200公里的续航能力。

还有日产汽车则在10月推出了搭载全固态电池的概念车型“日产Hyper Tourer”。美国的Solid Power公司在2023年第三季度向宝马公司交付了首批A-1 EV电池,这标志着其固态电池产品正式迈入汽车行业的验证测试阶段。 

图片10.png

日产Hyper Tourer概念车

在聚合物电解质固态电池领域,同样有很多企业研发成果显著。例如,美国Factorial Energy公司在2023年10月24日于马萨诸塞州梅休恩投资5000万美元,建立了年产能达200兆瓦时的固态电池生产线,这也是美国最大的固态电池生产线。

该公司生产固态电池采用的“Factorial电解质系统技术”,据称能显著提升电池的续航里程,同时与现有的锂离子电池制造基础设施兼容,便于集成到现有生产线中,更有利于尽快投入固态电池商业化进程。

在氧化物电解质固态电池的研发上,日本旭硝子株式会社于2023年3月发布了全球首款主要零件全部由“结晶玻璃”制成的氧化物全固态钠离子二次电池。美国的Quantum Scape公司则宣布其首款商用氧化物电解质固态电池产品QSE-5在完成1000多次循环测试后,容量保持率超过95%。 

图片11.png

当然,除了这些厂商以外,中国大陆的厂商在固态电池领域也投入了很多心血,并且取得了不少成就。2024年4月,中国船舶集团旗下风帆公司成功研制出首个轨道交通工程车用类固态电池系统,紧随其后,太蓝新能源宣布其“车规级全固态锂电池”取得重大突破。

此外,上汽集团旗下智己汽车近期也宣布全球首次量产上车“超快充固态电池”——第一代光年固态电池,引发了关于固态电池的讨论,虽然实际上该电池仍然属于半固态电池范畴,但在从液态电池走向全固态电池的发展中仍然具有进步意义。

而针对越来越热的固态电池话题,宁德时代董事长曾毓群在近期表示,关于固态电池目前还有很多基本的科学问题亟待解决,如大多数固态电解质中的离子扩散速率与液态电解质存在数量级差异、固固界面难以始终保持良好接触等。 

图片12.png

不过,针对技术层面的问题,宁德时代也给出了自己的理解。宁德时代首席科学家吴凯认为,目前固态电池发展遇到的问题主要有两个方面:一是锂枝晶问题,为此宁德时代开发了界面增强技术,让锂枝晶相对比较均匀,不容易形成枝晶,进而减少因此而产生的短路;二是固溶性的问题,因为都是固态,颗粒材料分离,密度就变大,针对这一问题宁德时代也开发了双相导通网络技术,提升固态界面的稳定性。

此外,宁德时代方面还提出了凝聚态电池的概念,这是一种介于液态和固态电池之间的技术。凝聚态电池采用半固态的胶质电解液,这种设计既保持了锂离子的传导功能,又通过降低流动性来提高电池的安全性能,从而避免了传统液态锂离子电池在过热时可能出现的热失控风险。 

图片13.png

事实上,任何前沿技术的落地其实都需要经历三个阶段:技术路线、产品路线和商品路线。首先,必须确保技术理论上的可行性和实际的技术突破;其次,在产品制造阶段,要保证产品的安全性、可靠性、一致性和质量;最后,产品必须具备市场竞争力,即价格合理,能够被市场接受。

显然,目前固态电池在技术层面上仍需克服很多基本科学问题,距离真正的商品化尚有一段距离。不过无论如何,固态电池相较传统液态电池而言,能够有效解决电动汽车自然起火和低温掉电两大核心痛点,单凭这个原因就足够令厂商和消费者无限憧憬了。 

图片14.png

结语:在彷徨与变数中,走向光明图景

在对固态电池的深入探讨中,我们不难发现,尽管这一技术拥有革命性的潜力,其发展之路却并非一帆风顺。

从安全性能的提升到续航能力的增强,到环境适应性的改善,固态电池为新能源汽车的未来描绘了一幅光明的图景。然而,技术难题、成本考量以及规模化生产的挑战,仍然是挡在固态电池普及道路上的几座大山。

尽管如此,全球范围内的科研机构、企业和政府部门正不断加大投入,努力攻克这些难题,固态电池的商业化之路虽然充满挑战,但也孕育着无限可能。让我们共同期待,固态电池技术能够早日突破桎梏,照亮新能源汽车产业的前行之路,成为推动新能源汽车行业发展的新引擎。


发表评论