新一轮电池技术革命已经来了!固态电池有望2030年量产

第一财经 · 2023-11-16 11:39:14

11 月 15 日消息,美国全固态电池企业 Solid Power 近日已经生产出了第一批固态电池单体,并交付给了宝马公司。......

编者按:11 月 15 日消息,美国全固态电池企业 Solid Power 近日已经生产出了第一批固态电池单体,并交付给了宝马公司,宝马公司计划在 2025 年之前推出基于 Solid Power 技术的第一辆原型车。此外,宝马公司将在德国慕尼黑附近的 Parsdorf 的电池制造能力中心,基于 Solid Power 的设计,建立一个固态电池单体的原型生产线。

“电池技术的创新周期大约是30年,这代锂离子电池在动力方面的应用在2000年左右,预计2030年会有一次全方位的革新。”日前,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高在新能源科学与交通电动化国际论坛上表示,动力电池发展第一个十年主要解决的是安全问题,目前还在继续解决。从2010年开始的第二个十年,动力电池产业规模逐步庞大,智能化手段推动动力电池全产业链的技术革新。第三个十年是新材料换代,以固态电解质研发为核心的全固态电池正在研发中,预计2030年成熟。

随着新能源车市场的快速发展,动力电池产业规模不断扩大。中国汽车动力电池产业创新联盟数据显示,今年前三季度,我国动力电池累计装车量为255.7GWh,累计同比增长32%。但与此同时,动力电池领域竞争激烈,产能结构性过剩问题一直存在,行业淘汰赛正在加剧。尤其是今年电池原材料价格波动下,动力电池企业普遍面临挑战。宁德时代首席科学家吴凯认为,材料研发将是动力电池下一阶段比拼的决胜局。

从当前电池企业的布局来看,钠离子电池和固态电池为主要方向。在原材料价格上涨的阶段,钠离子电池一度被认为是帮助车企降本增效的手段。不过,和锂离子电池相比,钠离子电池能量密度相对更低,更适用于低速电动车、入门级电动车等对续航要求不高的产品。另一个方向则为固态电池,固态电池能量密度高、安全性好,能够拥有更优异的充放电性能。业界普遍认为,固态电池将是电动车动力电池未来的解决方案。但固态电池仍有着成本高、内阻大等缺点,制约了商业化落地。而半固态电池作为折中方案,成为现阶段不少车企和产业链企业的新选择。

不过,在电池企业追求高性能的电池设计过程中,电池的安全性问题仍是需要考虑的首要因素。电池的安全问题,从科学的角度来讲是电池热失控,而电池的热失控是由各种诱因过充过放等导致电池内部温度上升,超过正常电化学反应过程,出现放热的副反应。“这种副反应会加速电池温度上升,当达到临界点每秒钟上升1000摄氏度,热失控发生。热失控发生后会在整个电池系统中蔓延,全部引燃就会形成着火等事故。”欧阳明高表示,建立相应的电池安全技术体系包括三个方面,一是主动安全,即通过发展智能电池产品来应对各种诱因;二是本质安全,通过提高电池材料的热稳定性来防止热失控的发生,这也推动了全固态电池的研发和换代;三是被动安全,通过防控设计、系统开发等应对热失控蔓延。

相较于液态锂离子电池,全固态电池负极侧的反应起始温度延后,初期反应热下降,热失效的边界提升。但欧阳明高认为,全固态电池在极端情况下,并不是绝对安全的,也存在热稳定性问题。“通过对热失控的机理分析,有两条失效路径,一是气固反应(固体跟氧气反应),这条路径我们认为是有点危险的。另外一条路径是有某些硫化物固态电解质,但还有一些硫化物固态电解质的固固反应,固固反应的温度会比较高,都在300摄氏度以上,这个我们认为还是可以的。”

现阶段,固态电池在技术指标上领先于三元锂电池。从当前产业布局来看,丰田、宝马、大众、现代等多家国际车企均在固态电池领域进行布局,并加大在固态电池领域的投资。不过,目前还未看到量产固态电池搭载在汽车上。早在2011年,丰田就表示将在2015年至2020年推出固态电池,其认为固态电池将完全弥补新能源汽车的续航里程难题,同时还能大力推动新能源汽车普及速度。然而,时至今日,固态电池依旧未能得以正式应用。

吴凯表示,宁德时代正在努力做固态电池的研发,可能在2027~2030年量产。“现在还遇到一些问题,主要有两方面。一是锂枝晶问题,锂枝晶生长是一个大问题,一短路就导致失效。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;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。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。”吴凯表示。

“下一步要产业化的是智能安全电池,就是把安全技术、智能技术全部结合起来进行产业化,应该在2025年。全固态电池估计在2027年~2030年之间达到规模产业化。”欧阳明高表示。

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