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剖析:蔚来力推固态电池,是破局还是尝鲜?

来源:上海有色 | 作者:wxf | 分类:分析 | 时间:2021-01-14 | 浏览:2800
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锂电网讯:众所周知,目前动力电池电芯有几大重要组成部分,即正负极,隔膜,电解液。市场上的动力电池无论形状如何,其本质上仍属于液态锂离子电池。而所谓的固态锂电池是相对于液态锂电池而言的,指在电池结构中固态电解质替代了原本的液态电解质和隔膜,这也就导致其结构中几乎不含任何液体。 

蔚来此次发布所谓的150kwh固态电池,为半固态电池的可能性更高,本质上是现有液态电池工艺与不完全成熟的固态电池技术结合,通过将一部分的电解液代替为全固态电解质,其含量从20wt%逐渐下降,并于使用预锂化硅碳负极得来的折中产品。

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全固态电池与传统锂离子动力电池相比到底有哪些优势呢? 

a.能量密度相较于以往有大幅提升。在很大程度上,锂离子电池的能量密度都是由正负极材料共同决定的,而现在正负极材料本身的限制导致其极限能量密度难以达到要求。有资料显示,固态电池的电化学稳定窗口能达到5V以上,而三元电池在4.2V-4.5V之间,稳定窗口的提高意味着其能匹配更加高性能的电极材料,不仅在正极材料中可使用比高镍三元能量密度更高的富锂材料,同时也使金属锂负极的使用成为可能。在现有的正负极材料体系下300Wh/kg是比较高的能量密度,但是用上锂金属负极能达到500Wh/kg以上。使用固态电池能够使当前体积利用率从20%-50%的体积利用率提升到80-100%的体积利用率,能量密度可提升40%以上。 

b.安全性。长期以来,液态电解质由于其可燃性,在遇到冲击时容易发生泄漏或挥发,从而引起电池起火爆炸等安全事故。而固态电池使用不可燃的全固态电解质取代了液态电解质,即便在受到了物理冲击之后,仍能不冒烟,不起火,不爆炸,安全性能得到极大提高。同时,锂金属作为负极材料电池面临的主要障碍便是其锂负极在充放电循环的溶解沉积的过程中,锂枝晶不断形成并断开变成“死锂”,这部分锂离子不但不再贡献电池容量,反而会因为不断堆积,最终刺穿隔膜导致电池的短路甚至引起电池的爆炸。这便是锂枝晶现象。而正是由于这一特性,在传统的液态电池中,锂负极的运用面临着很大的挑战。但固态电池可以解决这一问题,由于其电解质全部以固态形式存在,同时隔膜被完全取代,其锂枝晶的现象得到了足够的抑制,保障了其安全性。 

c.低温性能强。传统锂电池因为其液态电解质的存在,在冬天低温环境下易发生冻结,电阻升高,实际容量迅速下降。这反映在现实中就是近期许多新能源汽车车主抱怨其爱车在冬季续航大幅缩水的问题。而固态电池其理论温区更宽,高温低温性能均表现优异,能有效的防止续航缩水这种问题的发生,有数据显示固态电池在零下40℃-零下80℃仍能正常工作,一举解决新能源汽车在寒冷地区的续航缩水问题。 

固态电池目前的技术难点: 

1.固态电解质的贴合问题。在传统电解液中,其电解质包裹了电池正负极。但由于固态电池中电解质同样为固态的原因,其与正负极的接触面容易产生凹凸不平的接触面或间隙,导致电池接触不良,增大量产难度。

2.低电导率。固态电池中电解质与电极材料中的界面是固-固状态,因此电极与电解质之间的有效接触减弱,电阻率较高,电导率低,影响其充放电能力。 

固态电池基于其本身对于高能量材料的兼容性,负极材料中金属锂的使用,增加对锂的需求,进一步提升锂在动力电池中影响力。而钴和镍作为两种在正极材料中负责高能量密度与稳定性的金属,其重要性或发生根本性的变化。易燃的液态电解质在固态电池中贝替换为更加安全稳定的固态电解质,从而整个电池结构已十分稳定的情况下,钴作为一种主要起稳定作用的稀有金属,需求或大幅下降。另一方面,因追求高能量密度,镍的需求或提升。 

同时,对行业整体而言,目前的固态电池行业壁垒较高,未来对固态电池的使用或会对行业造成极大的冲击,规模大资金雄厚或者具有先发优势的企业或将占据行业领先位置,其强大的材料控制能力,与议价能力足够支撑他们进行进一步研发,但中小型企业较难做到这一点,行业整体格局将会发生较大的变化。同时由于隔膜电解液的弃用,其相关产业链也会受到冲击。 

对下游新能源汽车而言,固态电池由于其较高的能量密度,应用于汽车上会使新能源汽车的续航里程有着极大的提升,同时其出色的抗低温性也将会大幅推进其对传统燃油车的全面替代,同时,其出色的安全性或导致船舶,飞机等动力电池新型需求得到极大增长。 

总体而言,在《中国制造2025》等文件对动力电池技术要求不断提升,预计2020-2030年间能量密度要达到400-500WH/KG的大背景下,目前的液态锂离子电池技术受困于其理论极限已经逐渐难以跟上不断提高的要求,而固态电池的确是目前最有可能破局的路线。但同时,固态电池技术本身还有诸多问题有待解决,仍处于产业的早期阶段,距离量产仍尚远,而在此次蔚来推出的‘固态电池’或‘半固态电池’或对锂等原材料需求有所带动,同时对隔膜电解液需求产生些许冲击外,对动力电池行业整体影响较为有限,不过将其运用至主力旗舰车型仍不失为一次积极的尝试。


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