锂消费经历了30年的旅程,经历了日本主导到中国、日本和韩国的“三脚架”时期,消费电子领域的模式基本稳定。作为新能源汽车的核心部件,电力电池的能量密度和规模直接决定了电动汽车的范围。因此,主要电池企业和汽车制造商正试图突破电池的“瓶颈”,高能量密度的固态锂电池技术已成为企业前沿技术的首选。
近日,随着2019年诺贝尔化学奖的诞生,来自美国、日本等国的三位科学家因“开发锂离子电池”引起了动力电池行业的巨大轰动。作为三位诺贝尔奖得主在固态电池研究方面的成就,也引起了人们的关注,引发了对固态电池的大讨论。
动力电池在新能源汽车的发展中起着非常重要的作用。自2012年中国支持新能源汽车以来,动力电池引起了社会各界的关注。动力电池作为汽车的核心部件,不仅在价格中占有很高的比例,而且在汽车续航里程中也起着关键作用。随着新能源汽车在行业的发展,动力电池的研发技术也在逐步改进,出现了不同类型的电池,近年来最热的是固态电池。
1、2019年,国内外车企和电池公司陆续布局固态电池技术
1、雷诺汽车高级副总裁吉尔斯·诺曼德几天前公开表示,2025年将使用钴含量为零的固态电池。早在2018年初,雷诺日产-三菱联盟就设立了10亿美元的风险投资基金,其首个投资项目用于无钴固态电池的研发。
2、近日,从哪吒汽车官方获悉,哪吒汽车正式与清陶科技达成全面合作,共同推动固态电池的研发和应用。
3、2019年4月,天际汽车与辉能科技达成固态电池业务合作。今年下半年,威来汽车和爱知汽车相继与辉能科技达成固态电池业务合作,率先占领市场,完成固态电池区域布局。
4、德国大众集团投入1亿美元投资电池技术公司QuantumScape,力争在2024年大规模生产固态电池。
5、宝马还提出与美国固态电池公司SolidPower达成战略合作,希望尽快开发汽车固态电池。
6、此外,三星、戴森、奔驰等行业巨头也参与了固态电池的研发。
7、除中国科学院宁波材料研究所外,中国科学院青岛能源研究所、宁德时代、中航锂电池、比亚迪、赣峰锂业等研究机构和动力电池企业也从事固态电池的研发。
汽车公司、电池公司和研究机构都布局了固态电池技术。为什么固态电池如此受欢迎?与传统锂电池相比有什么优势?
二、固态电池与传统锂电池的优缺点分析
固态电池发展于20世纪70年代,最早用于心脏起搏器。固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池,是一种电池技术。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特点。固态电池一般功率密度低,能量密度高。
优点:
①金属锂直接用作负极,重量轻,能量密度高,保证了车辆的续航能力。传统锂电池的能量密度一般为200kW/kg,而固态电池的能量密度可达400kW//kg.
②固体电解质取代了传统的隔膜和电解质,电池厚度薄,体积小,质量轻。
③固态电池具有极佳的柔韧性前景,能保证其电池性能不下降。
④固体电解质不燃烧,耐潮湿,电池安全系数高于传统锂离子电池。
缺点:生产成本高,技术研发困难
传统锂电池采用液体电解质,易燃、易爆、挥发。当受到外部冲击或其他极端情况时,会发生电池短路、火灾和燃烧。
根据新能源汽车国家大数据联盟8月份发布的《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》,5月份以来,新能源汽车国家监管平台发现安全事故79起,58%的车辆因电池问题着火,86%的相关车辆使用三元锂电池。目前市场上最常见的是三元锂和磷酸铁锂电池,但由于成本控制、安全、原材料渠道和补贴政策的下降,已不能满足新能源产业当前的发展需求。
优点:生产成本低,产品量产大。
缺点:安全系数低,易爆炸,能量密度有限。
从以上比较可以看出,固态电池的成本和技术问题严重阻碍了固态电池的发展,锂电池引起的汽车火灾问题也严重影响了锂电池的发展,虽然固态电池遇到了瓶颈,但在未来,可以克服这个问题,但锂电池的问题最终会导致它被市场淘汰。
三、固态电池发展阻力
技术困难:
固态电池在固态电解质的导电率、内阻界面阻抗和相容性方面存在问题,因此固态电池不能在短时间内在市场上大规模生产。
①固体电解质材料限制大,电池整体阻抗和倍率性能低。固体电解质是固体电池的核心。目前,固体电解质有聚合物、氧化物和硫化物三种系统。这三种固体电解质材料各有优点,但其共同缺点是:低离子电导率。低离子电导率会阻碍锂离子在电池正负极之间的运动,降低锂离子的传输速度和效率,在高倍率大电流下降低运动能力,降低电池的能量密度和功率密度。
②固体电解质与正负极以固体/固体界面的形式接触,接触面积小,界面阻抗大,电池循环寿命和倍率性能差,导致充电速度慢。
③目前,对无机固体电解质的测试表明,大多数固体电解质的机械性能相对较差,容易破碎开裂,导致电池短路和泄漏。
成本昂贵:
毫无疑问,固态电池的成本非常昂贵,这与固态电解质材料有很大关系。性能好的材料成本高,成本可接受的材料导电性和稳定性差。目前,市场上传统锂电池的成本约为200-300美元/千瓦时,而生产满足智能手机供电需求的固态电池的成本约为1.5万美元(根据现有技术条件)。可想而知,生产满足新能源汽车供电需求的固态电池的成本约为9000万美元。
四、发展前景良好
固态电池发展前景良好,只需在时间内开花结果。
2019年10月9日,锂电池获得诺贝尔化学奖,由三位科学家共同获奖,表彰三人对锂电池开发的贡献,在国内新能源环境低迷,给汽车企业、电池企业带来雨露,锂电池再次受到关注,作为锂电池新领域的固态电池也受到科学家的青睐,两年前,95岁的古迪纳夫带领工程师团队创建了一个新的全固态电池,但仅限于实验,是否可以大规模生产应用于市场还有待研究。97岁的约翰.B.古迪纳夫仍在不断工作,克服技术问题,寻找解决固态电池问题的办法。
目前,中国已成为世界上最大的汽车生产国和消费国。随着环境污染和能源短缺,新能源汽车将在未来的发展中脱颖而出。电动汽车将逐步普及到中国,进入普通人的家中。为了满足公众的出行需求,解决环境和能源短缺问题,固态电池的技术研发迫在眉睫。目前,固态锂电池产品很少,工业化进程仍处于早期阶段。数据显示,固态电池预计将于2025年大规模生产。
与液体电解质相比,固态电解质的电导率较低。因此,为了降低电池的内阻,提高电池的大电流放电能力,固态电解质膜需要尽可能薄。目前,北京大学、中国电子科技集团等机构正在研究固态锂电解质。目前,国家项目计划使用材料基因组制作固态电池。
从海外企业的实验和试点产品来看,固态锂电池的能量密度优势已经开始突出,明显超过了现有的锂电池水平。我相信固态电池的问题将在不久的将来得到克服。
总结电车资源
与锂电池相比,固态电池有太多的优势。随着国家政策和世界格局的变化,电动汽车将在世界各地得到普及和发展,为固态电池的发展提供了良好的机遇。固态电池的大规模生产有利于缓解世界环境和能源问题,为电动汽车提供绿色环保的新动力。在未来的发展中,传统的锂电池将被“冲走”,虽然固态电池目前由于各种困难无法实现大规模生产,但它只需要等待开花结果。

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