能量密度高，成本低……这是真实的固态电池吗？

现在有一种说法,名曰后锂电池时代。

这里,液态锂电池无法平衡安全性和能量密度,这一弱点成为它的致命一击。它无法作为电动汽车驶入未来的能量来源。

而固态电池则被电池厂家和车企视为希望。它的开发进程和量产时间表,直接关系到电动汽车能否成为主流用车选择。至少现在来自不同企业的观点集中于此。

许多企业对于固态电池的大方向没有异议。但是,随着研发的持续和深入,围绕着固态电池产生了许多细节问题,例如电解质路线、固液相、成本。

针对这些问题,记者对台湾辉能CEO杨思枏进行了专访。作为当下固态电池,尤其是氧化物体系的主要推动者,辉能的思考成为我们探析固态电池世界的一道大门。

固态电池是液态电池的一种延伸,一种补救方案。初期,它可以沿用液态的正负极材料和供应链,减少商业化道路上成本的额外增加项。在此基础上固态电解质或混合电解质替代液态电解质,强化安全性。

用于量产车中最广泛的液态电池是NCM522电池或NCA电池,而车企最为期待的是NCM811电池。当前NCM811电池的系统能量密度可提升至170-180Wh/kg,基本是动力电池能够达到的巅峰值。

然而,高处不胜寒,当高含量的镍帮助液态电池站上能量密度的最高峰时,就面临上了瓶颈问题,无法再继续下一个高峰。同时,它也开始发挥破坏作用。电解液化学窗口较低,额定电压大概为3.7V,但高镍正极材料要提高容量需要更高的电压,而电压会引发电解液发生崩解,引发爆炸。

电动汽车若要代替燃油车成为主流用车选择,它需要有可以相媲美的续航里程。能量密度,是核算续航的一个关键指标。这意味着,电池厂会将高镍三元锂电池贯彻下去。同时,整车的安全性必须得到保障,这是电动汽车、智能汽车等等得以普及的根本。动力电池,能量的起始点,是动力源安全的第一道关卡。

因此新一代动力电池在保持及延续液态电池的高能量密度的同时,也需解决安全性问题。而这正是固态电池出现最主要的目的。

当然,除了固态电池,还有其他解决方案,例如锂硫电池、锂空气电池。但根据辉能的调研,“锂硫电池和锂空气电池都处于非常前期的实验室的研究阶段,预计到2035年至2040年才有可能出现基础的技术,电芯技术才有可能成熟。在此之前,它不具备商业化的可能。”

就电动汽车的发展时间来看,2025年至2040年是其发展的黄金期。这段时期内,电动汽车能否大规模上路,决定着它是否可以作为未来汽车的解决方案。这又取决于动力电池的技术进化速度。

依据这一时间点,对比之下,各类新型电池体系中,固态电池是距离产业化最近的下一代技术。在辉能看来,固态电池以固态电解质代替液态电解质,沿用当前的三元正负极体系,它更像是磷酸铁锂电池(高安全)和三元锂电池(高能量密度)的结合体。

当液态电池上升空间受限,锂硫锂空气电池远在他方,固态电池成为电动汽车迈向未来的希望。但是,这份希望的建立过程并不容易。

固态电池用于电动汽车时困难重重。固态的电解质放缓了锂离子“运动员”奔跑的速度,即使改变正负极体系,也没办法做到想象中的能量密度和充放电功率大提升。于是,电池厂纠结于硫化物、氧化物、聚合物等电解质路线之争,固液混合还是全固态。

按照电解质材料来分,固态电池可分为硫化物、氧化物、聚合物等。不同的电解质材料各有其优缺点。

例如硫化物材料天生导电性非常高,它能够适应的电化学窗口较宽。换句话,在更广的电压范围内,电解质不会参与化学反应,老老实实让锂离子流过。它的缺点在于材料很敏感,不够稳定,遇到水汽后容易形成硫化氢剧毒。因此,量产时它比较难以掌控,需要在全线干燥的制程中完成。硫化物体系的代表为丰田,它正在解决抑制硫化氢气体产生的难题。

氧化物体系分为厚膜和薄膜,共同的特性是电解质化学稳定性高,可以在高温下工作,但是电解质片容易脆裂。不同的是,厚膜需要解决的主要问题是室温电导率低,薄膜则是制备成本高,仅能做成邮票大小,量产时过于昂贵。

目前,国内多数固态电池厂家走的是氧化物路线,例如辉能、清陶、卫蓝、赣锋锂业。

固液混合还是全固态,这一选择涉及到固态电池的能量密度和充放电速率。除了安全性高外,曾经固态电池被认为拥有能量密度高、充放电速度快的优势。这是由于它可以避免短路之后的热失控问题,可以使用金属锂负极和高电压正极材料,提升能量密度空间。

但是,固态电解质能够带来稳定性的好处,却无法像液态一般渗透到电极的各个角度。这就导致电极与固体电解质之间的接触面积小,同时界面电阻非常高,影响到离子传导率。以导电率最高的硫化物为例,它在室温条件下导电率为10-3-10-2S/cm,而传统液态电解质的室温离子电导率为10-2S/cm左右,只此就差了一个数量级。

氧化物的室温电导率低于硫化物,大概为10-4-10-3S/cm。国内走氧化物体系的辉能、清陶、赣锋锂业为了提高电导率,添加了少量液态电解质,来解决低电导率限制能量密度的难题。固态电池产品均为固液混合电解质电池。除此之外,辉能在氧化物固态电解质以及正负极中导入“内部通道技术”(即其Ceramion技术),来提升室温导电性,并且降低内阻,实现5C快充的可能。

当液态电池的安全问题有待解决,全固态电池受制于技术和成本,难以量产,类固态电池作为过渡产品,从解决电池安全入手,到实现规模效应,降低固态电池产业化的成本,似乎是一个更为稳妥的方式。

获悉,辉能对自身固态电池的产品规划即是从类固态走向固态,2018年至2023年,第一代类固态电池沿用液态电池正负极,同时正极从NCM622升级到NCM811,负极从石墨转向高SiOx含量(14%以上~100%)的石墨复合物。

目前其PLCB和BLCB固态电池均为第一代氧化物类固态电池产品。其电解质为固液混合电解质,正负极材料为NCM和石墨。

根据辉能的测试数据,其固态电池的电芯重量比能量为215Wh/kg,体积能量密度为540Wh/kg,均稍低于液态电池。但是到2021年固态电池通过采用更高利用率的活性材料,在电芯层面的能量密度将与液态电池持平,然后逐步超越。

固态电池的能量密度优势在电芯层面相对不够明显,反而到PACK层面更为突出。

辉能测算,采用双极电池封包技术后,固态电池的成组效率在重量能量密度和体积能量密度两个维度下分别为82%~85%和70~75%。因此PACK的能量密度可达到176Wh/kg和405Wh/L。此时,再与液态电池相较,固态电池在今年就可展现出自身的优势。

单论电芯能量密度,在固态内阻高,损失能量的情况下,电池厂需要升级正负极材料,提高锂离子的扩散能力。以辉能为例,其2023年后的第二代固态电池减少活性材料的使用量,正极为HNCA/HNMC,负极为金属锂或纯硅。

当固态电池厂家选定路线,克服技术难关后,摆在他们面前的还有成本难题。

新能源汽车补贴力度逐年减弱,当车企不再能够拿补贴作为旗下电动汽车售价的噱头,而是贴出真实价格,谁能推出比竞争对手更有性价比的电动汽车,将更贴近消费者。

动力电池又占去整车30%至40%的成本,若无法控制电池成本,电动汽车将很难达到终端消费者对价位的需求。

固态电池,做为新兴电池技术,尚未用于量产车中。一方面,整车厂仍在验证固态电池的性能;另一方面,相比液态电池,固态电池是否在一定条件下具有成本优势?这种优势是否足以引起整车厂的兴趣?

辉能CEO杨思枏在回应这一问题时表示:“成本方面,我们着重的点不是在cell端,而是在PACK端。”

这源于固态电池的安全优势。电芯层面,它不会出现液态电芯串联后电压增高导致电解液崩解的后果。因此固态电芯可不受限于电解液的容许最高电压来加以相互串联与并联,提高单位电压及容量。

这即是固态电池的多轴向双极技术,如辉能的MAB技术。内部串并联,电芯可以组成一个大的复合式电池芯。它节省掉外部串联所需的打线、金属柄或金属棒等,既降低阻值,减少发热问题的产生。此时,保护系统、冷却系统、BMS系统就可得到简化,同时重量/体积成组效率得以增加。这是辉能固态电池PACK能量密度能够超过液态电池的主要因素。成组效率提升、冷却系统简化,进一步作用于成本,帮助固态电池被接受,被认可。

辉能测算后发现,固态电池在cell层面成本要高出液态电池,即使产能达到20GWh时,固态电芯仍是液态的1.1倍。而到PACK层面,当产能达到20GWh,实现一定的规模效应,固态电池的成本是液态的98%。若是类固态电池MAB技术,PACK成本会更低,大约为竞争对手的七成。

辉能CEO杨思枏在接受采访中屡屡强调“规模资本”:“固态电池投入真的太大了,如果没有达到一定的规模,它的优势不会很快地呈现出来。”

寻找合适的合作伙伴,是辉能认为能够较快实现规模化的方式。中国以电动汽车为发展重点,因此它选择与天际、蔚来以及央企车厂等共同开发使用MAB固态电池的样车。“2021年桃园1-2GWh生产线建成、投产之后,我们将于2022年开始销售电动汽车固态电池。大概到2023年路面上将会出现使用了固态电池的车辆。”

固态电池在电动汽车上的应用还有待长时间的测试,不过它的应用领域不限于此,还可覆盖安全帽等穿戴产品、智能设备、电动摩托车、储能系统等。“日本、东南亚等摩托车更为普遍,我们对固态电池在电动摩托车和电动踏板车的应用很感兴趣。”多方应用的开拓亦是为了固态电池的大规模产业化。

在杨思枏看来,“规模资本”是固态电池大规模产业化的“最大壁垒”。因此他希望在固态电池发展初期能够得到国家的补助或配套设施支持。这应该也代表了其他固态电池厂家的心声。