鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1283次 | 2021年05月15日
固態(tài)電池能否成為下一代電池技術(shù)？
動(dòng)力鋰電池是新能源汽車的心臟,動(dòng)力鋰電池性能對(duì)整車性能起著決定性的用途。在當(dāng)前鋰離子電池體系下,依靠高鎳三元正極、硅碳負(fù)極和電解液的組合將在3-5年內(nèi)達(dá)到性能極限(能量密度上限350Wh/Kg),但仍無(wú)法徹底滿足動(dòng)力鋰電池對(duì)安全性、能量密度與成本的要求。而由于固態(tài)電池在安全性與能量密度方面具備更大潛力,近年來(lái)受到了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文將對(duì)固態(tài)電池的原理、優(yōu)點(diǎn)、研發(fā)現(xiàn)狀、前景等方面進(jìn)行系統(tǒng)梳理,揭示重視固態(tài)電池的必要性。
摘要
固態(tài)鋰離子電池即電解質(zhì)采用固態(tài)材料的鋰二次電池。它與傳統(tǒng)鋰離子電池的差別在于以固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜。
固態(tài)鋰離子電池具有兩方面潛在優(yōu)勢(shì)。一、安全性高。采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池,在過(guò)度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導(dǎo)致電解液發(fā)熱,有自燃甚至爆炸的危險(xiǎn)。而全固態(tài)鋰離子電池基于固態(tài)材料不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴};二、能量密度高。固態(tài)電解質(zhì)無(wú)需隔膜與電解液,可以節(jié)約近40%的體積和25%的質(zhì)量。假如配套新的正負(fù)極材料(鋰金屬負(fù)極)可以使得電化學(xué)窗口達(dá)到5V以上,有望將能量密度提高至500Wh/Kg。
當(dāng)前新能源汽車行業(yè)主管部門對(duì)動(dòng)力鋰電池性能提出了非常高的要求。根據(jù)《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》和《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的指引,動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)能量密度要在2025-2030年達(dá)到350Wh/Kg(對(duì)應(yīng)單體能量密度500Wh/Kg)以滿足普通電動(dòng)汽車的續(xù)航里程要求。因此,固態(tài)電池也被廣泛認(rèn)為是下一代動(dòng)力鋰電池技術(shù)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
過(guò)去十年內(nèi)固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量上升超過(guò)10倍,固態(tài)電池正逐漸受到業(yè)界重視。尤其是整車公司,開始通過(guò)內(nèi)部研發(fā)、投資入股初創(chuàng)公司或合作研發(fā)等多種形式加快布局整合。其中處于固態(tài)電池研發(fā)前沿的重要有兩家代表公司汽車巨頭豐田和初創(chuàng)公司SolidEnergy。這兩家公司的固態(tài)電池產(chǎn)品能量密度已經(jīng)顯著優(yōu)于當(dāng)前的鋰離子電池,并已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品或明確的量產(chǎn)計(jì)劃。豐田在固態(tài)電池領(lǐng)域擁有大量專利(252件,占比13%,全球第一),同時(shí)計(jì)劃在2030年前向電池領(lǐng)域投入研發(fā)資金130億美元。目前豐田基于硫化物電解質(zhì)、石墨類負(fù)極的鋰離子電池路線推進(jìn)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化,實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品能量密度達(dá)到400Wh/Kg,預(yù)計(jì)2022年推出搭載全固態(tài)電池的電動(dòng)汽車型,2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
SolidEnergy由麻省理工學(xué)院的技術(shù)人員創(chuàng)辦,目前獲得了通用汽車、上汽、淡馬錫等機(jī)構(gòu)的投資。與豐田不同,SolidEnergy目前基于半固態(tài)電解質(zhì)和鋰金屬負(fù)極組合的路線,其產(chǎn)品為鋰金屬電池而非鋰離子電池。采用鋰金屬負(fù)極理論上可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度,但假如組合液態(tài)電解質(zhì)容易導(dǎo)致鋰枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致短路引發(fā)安全問(wèn)題,組合全固態(tài)電解質(zhì)則不易實(shí)現(xiàn)較高的離子導(dǎo)電率。SolidEnergy采用折中的半固態(tài)電解質(zhì)路線,2017年從特種航天領(lǐng)域入手推出容量為3Ah的Hermes™電池,質(zhì)量和體積能量密度分別達(dá)到450Wh/Kg和1200Wh/L,目前以每月5000個(gè)電池的速度量產(chǎn),并且通過(guò)了第三方的檢測(cè)。其面向電動(dòng)汽車領(lǐng)域的Apollo™電池預(yù)計(jì)將于2020年推出。
我國(guó)在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)目前與韓國(guó)、美國(guó)同處于第二梯隊(duì)(日本為第一梯隊(duì)),而且重要以中科院和高校等科研機(jī)構(gòu)為主。國(guó)內(nèi)目前有三個(gè)團(tuán)隊(duì)在固態(tài)電池領(lǐng)域研發(fā)較為領(lǐng)先。中科院青島能源所儲(chǔ)能院崔光磊團(tuán)隊(duì)目前已研制出全海深高能量密度高安全固態(tài)鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng),能量密度達(dá)300Wh/Kg,并且應(yīng)用于在馬里亞納海溝完成1萬(wàn)米的深海高壓環(huán)境。中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出能量密度達(dá)到260Wh/Kg的10Ah固態(tài)單體電池,目前與贛鋒鋰業(yè)合作推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。中科院物理所李泓團(tuán)隊(duì)開發(fā)出能量密度達(dá)310-390Wh/Kg的10Ah軟包電芯,目前正與衛(wèi)藍(lán)新能源合作建設(shè)中試線。
不過(guò)也并非所有車企都在發(fā)力固態(tài)電池。作為電動(dòng)汽車先驅(qū),特斯拉目前還沒(méi)有在固態(tài)電池方面擁有一件專利,特斯拉在電池領(lǐng)域擁有的244件專利重要集中在電池系統(tǒng)、電池包和充電領(lǐng)域,而在材料方面專利較少。特斯拉選擇的技術(shù)路線是以NCA為正極材料、硅碳負(fù)極、電解液為組合,通過(guò)大規(guī)模量產(chǎn)來(lái)把成本降低至$100/KWh,未來(lái)通過(guò)改良正極材料(如富鋰錳基等)進(jìn)一步達(dá)到350-400Wh/Kg的能量密度。關(guān)于固態(tài)電池技術(shù),特斯拉CEO馬斯克認(rèn)為有一定前景,但是距離技術(shù)成熟還要時(shí)間,目前也不足以改變特斯拉的戰(zhàn)略。
綜合來(lái)看,固態(tài)電池具備成為下一代動(dòng)力鋰電池技術(shù)的潛力,但是目前還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品能夠在能量密度、安全性和循環(huán)壽命三方面同時(shí)顯著優(yōu)于當(dāng)前的鋰離子電池。根據(jù)豐田等前沿公司的研發(fā)情況和計(jì)劃,我們預(yù)計(jì)固態(tài)電池技術(shù)真正成熟可能要等到2025年前后,真正具備量產(chǎn)量力可能要等到2030年前后。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
風(fēng)險(xiǎn)提示:政策推動(dòng)不及預(yù)期等
目錄
1固態(tài)電池:下一代動(dòng)力鋰電池技術(shù)
1.1固態(tài)電池的特點(diǎn)
1.2固態(tài)電池能夠滿足2030年新能源汽車技術(shù)政策目標(biāo)
2固態(tài)電池領(lǐng)域研發(fā)現(xiàn)狀
2.1固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠闆r
2.2國(guó)外公司布局情況
2.2.1整車與零部件公司
2.2.2電池初創(chuàng)公司
2.3國(guó)內(nèi)固態(tài)電池進(jìn)展
正文
1固態(tài)電池:下一代動(dòng)力鋰電池技術(shù)
1.1固態(tài)電池的特點(diǎn)
固態(tài)鋰離子電池指電池電解質(zhì)部分采用固態(tài)材料的鋰二次電池。固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰離子電池不同在于固態(tài)電池以固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜。
安全性、能量密度和循環(huán)壽命是對(duì)動(dòng)力鋰電池的三大要求。由于固態(tài)電池在這三方面均具備優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池的潛力,因此也被視為下一代電池技術(shù)。
固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)一:安全性高,無(wú)自燃、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。采用有機(jī)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池,在過(guò)度充電、內(nèi)部短路等異常情況下容易導(dǎo)致電解液發(fā)熱,有自燃甚至爆炸的危險(xiǎn)。全固態(tài)鋰離子電池基于固態(tài)材料不可燃、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴},且有望克服鋰枝晶現(xiàn)象。半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)電池仍存在一定的可燃風(fēng)險(xiǎn),但安全性也較液態(tài)電解液電池提高。
固態(tài)電池優(yōu)點(diǎn)二:能量密度高,有望徹底解決電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]。目前技術(shù)體系下鋰離子電池已經(jīng)接近性能極限,特斯拉NCA18650電芯能量密度達(dá)到250Wh/Kg,應(yīng)用于Model3的21700電芯能量密度約300Wh/Kg,支持的續(xù)航里程約400至500公里,仍無(wú)法徹底解決里程焦慮。而關(guān)于固態(tài)電池而言,一方面固態(tài)電解質(zhì)無(wú)需隔膜與電解液,這兩部分在傳統(tǒng)鋰離子電池中加起來(lái)占據(jù)近40%的體積和25%的質(zhì)量,另一方面由于沒(méi)有漏液、腐蝕等問(wèn)題,可以簡(jiǎn)化電池外殼及冷卻系統(tǒng)模塊,進(jìn)一步減輕電池系統(tǒng)重量。此外,配套新的正負(fù)極材料可以使得電化學(xué)窗口達(dá)到5V以上,可以從根本上提高能量密度,有望達(dá)到500Wh/Kg,同等電池容量的情況下有望將續(xù)航里程提高到600至700公里。
此外,固態(tài)電池還具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、可快速充電等優(yōu)點(diǎn)。
按照電解質(zhì)材料的不同,固態(tài)電池可以分為聚合物、氧化物和硫化物三大體系。其中聚合物電解質(zhì)屬于有機(jī)電解質(zhì),氧化物和硫化物屬于無(wú)機(jī)陶瓷電解質(zhì)。總體來(lái)說(shuō),聚合物電解質(zhì)技術(shù)最成熟,已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn),但是理論能量密度不及其他兩類電解質(zhì);氧化物電解質(zhì)性能優(yōu)于聚合物電解質(zhì),但薄膜型氧化物電池容量較小、只能應(yīng)用于消費(fèi)類電子領(lǐng)域,非薄膜型氧化物電池技術(shù)相對(duì)還不夠成熟;硫化物電解質(zhì)理論上最適合于電動(dòng)汽車領(lǐng)域,但是開發(fā)難度最大。
按照正負(fù)極材料的不同,固態(tài)電池還可以進(jìn)一步分為固態(tài)鋰離子電池(沿用當(dāng)前鋰離子電池材料體系,如石墨+硅碳負(fù)極、三元正極等)和固態(tài)鋰金屬電池(以金屬鋰為負(fù)極)。由于固態(tài)鋰離子電池與當(dāng)前的電池體系最為接近,日韓本身又擁有成熟的鋰電產(chǎn)業(yè)鏈,因此目前日韓公司大多采用硫化物+固態(tài)鋰離子電池的路線。而歐美初創(chuàng)公司則立足于顛覆性的技術(shù),大多采用聚合物/氧化物+固態(tài)鋰金屬電池的路線。
1.2固態(tài)電池能夠滿足2030年新能源汽車技術(shù)政策目標(biāo)
近年來(lái),新能源汽車補(bǔ)貼政策經(jīng)歷多次調(diào)整,且將于2020年后完全退出。從政策歷次調(diào)整的導(dǎo)向來(lái)看,對(duì)高續(xù)航里程、高能量密度技術(shù)路線的支持力度沒(méi)有減弱甚至有所加大。補(bǔ)貼政策完全退出后,雙積分制度仍可能通過(guò)對(duì)不同能量密度、不同續(xù)航里程設(shè)置差別化的積分來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)行業(yè)技術(shù)升級(jí)的導(dǎo)向用途。
此外,當(dāng)前行業(yè)主管部門對(duì)動(dòng)力鋰電池技術(shù)提出了非常高的目標(biāo)。2017年工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合公布《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》,其中新能源汽車研發(fā)與推廣應(yīng)用工程專欄要求:到2020年,動(dòng)力鋰電池單體比能量達(dá)到300瓦時(shí)/公斤以上、力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)350瓦時(shí)/公斤,系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)達(dá)到260瓦時(shí)/公斤;到2025年,動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)比能量達(dá)到350瓦時(shí)/公斤。
受工信部、國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)委托,由我國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)研究編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》則要求:2020/2025/2030年單體比能量分別達(dá)到350/400/500瓦時(shí)/公斤,系統(tǒng)比能量分別達(dá)到250/280/350瓦時(shí)/公斤。
中科院院士、國(guó)家863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目總體專家組組長(zhǎng)歐陽(yáng)明高教授指出,2020年的目標(biāo)可以依靠高鎳三元正極材料與硅碳負(fù)極材料的組合實(shí)現(xiàn),2025年的目標(biāo)可以依靠正極材料由高鎳三元向高容量富鋰錳基材料轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn),但基本到達(dá)極限。而要實(shí)現(xiàn)2030年目標(biāo),固體電解質(zhì)層面的突破是一條必由之路。
2固態(tài)電池領(lǐng)域研發(fā)現(xiàn)狀
2.1固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠闆r
根據(jù)德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(kù),1990年至今固態(tài)電池領(lǐng)域已經(jīng)公開的專利數(shù)目達(dá)到1926件,其中全固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目達(dá)到871件,占比約45%。
從數(shù)量上來(lái)看,固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目由2007年26件上升至2017年273件,上升超過(guò)10倍,同時(shí)全固態(tài)電池專利數(shù)目占比由零提升至近一半,說(shuō)明固態(tài)電池尤其是全固態(tài)電池的研發(fā)越來(lái)越受到各方面的重視。
從地域上看,日本目前擁有固態(tài)電池專利916件,占比接近一半,領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)較大。其次美國(guó)和我國(guó)分別擁有398件、362件,身位接近。韓國(guó)擁有100件位居第四。全固態(tài)電池方面,日本擁有專利657件,占比75%,領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)更加明顯。我國(guó)、韓國(guó)分別擁有專利128件、37件;美國(guó)在全固態(tài)電池領(lǐng)域稍弱,僅擁有29件專利。
從專利主體來(lái)看,作為全球第一大車企的豐田擁有固態(tài)電池專利252件,數(shù)量遠(yuǎn)超其他車企與電池公司,同時(shí)日本其他消費(fèi)電子及汽車零部件公司如富士、村田制造所、松下也在固態(tài)電池領(lǐng)域有廣泛布局?？傮w來(lái)看,日本固態(tài)電池的研發(fā)以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo)。美國(guó)固態(tài)電池專利分布比較分散,而且其持有主體多為Quantumscape(21件)、Sakti3(17件)等初創(chuàng)公司。我國(guó)固態(tài)電池專利分布也很分散,但與美國(guó)不同的是我國(guó)專利持有主體以科研機(jī)構(gòu)與大學(xué)為主,如中科院青島能源所(13件)、哈工大(13件)等。韓國(guó)雖然總量不及我國(guó),但是專利分布相對(duì)集中,如三星電子(35件)、LG化學(xué)(29件)、現(xiàn)代汽車(25件)。與日本相似,韓國(guó)在固態(tài)電池領(lǐng)域的研發(fā)也是以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo),且電池公司與整車公司均有布局。
全固態(tài)電池專利的持有主體情況與固態(tài)電池基本類似,日本、韓國(guó)均以產(chǎn)業(yè)界為主導(dǎo)。我國(guó)全固態(tài)電池研發(fā)仍然以科研機(jī)構(gòu)與高校為主導(dǎo),專利持有數(shù)量排名前五的主體分別為中科院寧波材料所(6件)、青島能源所(6件),及三所高校哈工大、中南大學(xué)、寧波大學(xué)。
2.2國(guó)外公司布局情況
2.2.1整車與零部件公司
整車公司在固態(tài)電池領(lǐng)域的布局可以分為內(nèi)部研發(fā)和對(duì)外投資兩類。前者以豐田為代表,后者以寶馬、大眾為代表?？梢钥吹?017年以來(lái)不論是哪種路線,整車公司的動(dòng)作都有所加快,而造成兩者策略差異的重要原因在于整車公司前期積累的多少。
豐田歷來(lái)在電池技術(shù)上有著深厚的積累。從普銳斯鎳氫電池到Mirai燃料動(dòng)力電池,豐田都是業(yè)界最早將新能源技術(shù)應(yīng)用于整車層面的車企。在固態(tài)電池領(lǐng)域,豐田目前憑借三方面戰(zhàn)術(shù)進(jìn)一步鞏固先發(fā)優(yōu)勢(shì):1)內(nèi)部研發(fā)積累大量專利,在新技術(shù)上有絕對(duì)的自主權(quán),同時(shí)豐田表示將在2030年之前投資在相關(guān)電池研發(fā)的資金可能超過(guò)130億美元;2)由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)牽頭投資100億日元,豐田、本田、日產(chǎn)、松下等23家日本汽車、電池和材料公司,以及京都大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等15家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)將共同參與研究,計(jì)劃到2022年全面掌握全固態(tài)電池相關(guān)技術(shù);3)與松下合作固態(tài)電池研究,從不同層面去研究和解決問(wèn)題,為第四代電芯小規(guī)模量產(chǎn)打基礎(chǔ)。
從技術(shù)路線上來(lái)看,豐田重要是基于固態(tài)鋰離子電池,采用石墨類負(fù)極、硫化物電解質(zhì)與高電壓正極的組合,并計(jì)劃于2022年實(shí)現(xiàn)商品化。但是豐田固態(tài)電池目前的重要問(wèn)題在于循環(huán)壽命還較短(小于3年),這也是豐田下一階段的研發(fā)重點(diǎn)。
以大眾、寶馬為代表的車企在固態(tài)領(lǐng)域的積累不及豐田,但是近年來(lái)明顯加快了布局的步伐。2017年底寶馬與SolidPower建立合作伙伴關(guān)系共同研發(fā)固態(tài)電池,2018年中大眾向QuantumScape投資1億美元,并計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)。與此同時(shí),寶馬還投資2億歐元在慕尼黑建立電芯研發(fā)中心,開始涉及電芯級(jí)別的技術(shù)驗(yàn)證和開發(fā)。與豐田重要依靠?jī)?nèi)部研發(fā)不同,關(guān)于大眾、寶馬等德系車企來(lái)說(shuō),投資初創(chuàng)公司快速獲取固態(tài)電池的相關(guān)專利、同時(shí)通過(guò)內(nèi)部研究加深對(duì)下一代電池技術(shù)的理解,是一條效率更高的道路。
不過(guò)也并非所有公司都在進(jìn)軍固態(tài)電池領(lǐng)域。特斯拉作為電動(dòng)汽車同時(shí)也是動(dòng)力鋰電池的領(lǐng)軍者,目前還沒(méi)有在固態(tài)電池方面擁有一件專利。我們檢索了與特斯拉相關(guān)的專利數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)特斯拉在電池領(lǐng)域總共擁有244件專利,但重要集中在電池系統(tǒng)、電池包和充電領(lǐng)域,而在材料方面專利較少。盡管馬斯克曾表示固態(tài)電池有一定前景,但是距離技術(shù)成熟還要時(shí)間,目前也不足以改變特斯拉的戰(zhàn)略。特斯拉的Model3車型采取了以NCA為正極材料的松下21700圓柱型電池,電芯能量密度可以達(dá)到300Wh/Kg,甚至超過(guò)了部分半固態(tài)鋰離子電池。特斯拉目前的如意算盤仍然是在2020年堅(jiān)持目前的材料體系并通過(guò)Gigafactory的擴(kuò)產(chǎn)來(lái)快速降低電池成本,進(jìn)一步擴(kuò)大在這一代電池技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。
此外,作為全球最大的汽車零部件供應(yīng)商,博世在今年年初宣布放棄對(duì)電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的投資,并出售了之前收購(gòu)的從事固態(tài)電池研發(fā)的子公司SEEO。博世仍然看好固態(tài)電池的技術(shù)方向,但是關(guān)于重資產(chǎn)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行投資非常謹(jǐn)慎。博世預(yù)計(jì)投資建設(shè)200GWH的動(dòng)力鋰電池產(chǎn)量(20%市場(chǎng)份額)要200億歐元左右的投資,而制造成本中接近3/4都是材料成本,不利于發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此博世的態(tài)度是要了解電池技術(shù),但不必親自制造電池。
2.2.2電池初創(chuàng)公司
固態(tài)電池領(lǐng)域受關(guān)注度較高的初創(chuàng)公司重要包括SEEO、Sakti3、SolidEnergy、QuantumScape。
從融資情況來(lái)看,SEEO獲得了三星等公司的投資,Sakti3獲得了由通用汽車公司為首的共計(jì)2000萬(wàn)美元的投資,SolidEnergy則獲得了通用汽車和上汽等公司的1200萬(wàn)美元投資。今年六月QuantumScape獲得德國(guó)大眾汽車公司1億美元的投資。
這些初創(chuàng)公司大多由美國(guó)優(yōu)秀高校的研究人員創(chuàng)辦,它們選擇的電解質(zhì)重要可以分為聚合物、氧化物兩大體系。
SEEO通過(guò)和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)DryLyte(一種可以循環(huán)使用>2000次的固態(tài)電解質(zhì)/隔膜),于2012年將該技術(shù)應(yīng)用于(Li/LFP)電池;2016年,通過(guò)開發(fā)NCx系統(tǒng)、新的鋰箔凈化和軋制方法,SEEO規(guī)劃在未來(lái)3年擴(kuò)大量產(chǎn)規(guī)模和提升電池能量密度(達(dá)到450Wh/kg即大于30Ah)。
SolidEnergy起步晚但公司采用了折中的半固態(tài)電解質(zhì)+鋰金屬負(fù)極路線,其獨(dú)特之處在于:1)采用突破性的固體保護(hù)涂層(陽(yáng)極-裂解物)組成了聚合物和無(wú)機(jī)材料,這種固體保護(hù)涂層直接應(yīng)用到經(jīng)過(guò)表處理的鋰金屬陽(yáng)極上可以用來(lái)抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。它具有高鋰離子導(dǎo)電率但是與液體電解質(zhì)不混溶;2)采用革命性的液體電解質(zhì)(陰極-裂解物)具有高鋰電鍍和剝離效率、在高壓陰極有高氧化穩(wěn)定性并且能降低溶劑揮發(fā)性;3)采用一種創(chuàng)新的電池組裝工藝可以最大限度地提高電池能量密度,解決循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹問(wèn)題,并且使得鋰金屬可以通過(guò)現(xiàn)有的鋰離子電池基礎(chǔ)設(shè)施被規(guī)?；刂圃斐鰜?lái)。
2017年SolidEnergy從特種航天領(lǐng)域入手推出容量為3Ah的HermesTM電池,質(zhì)量和體積能量密度分別達(dá)到450Wh/Kg和1200Wh/L,目前以每月5000個(gè)電池的速度量產(chǎn),并且通過(guò)了第三方的檢測(cè)。
氧化物電解質(zhì)體系重要分為薄膜型和和非薄膜型。薄膜型固態(tài)電池以Sakti3為代表。這一類電池具有良好的倍率及循環(huán)性能,但是電池容量較小,目前僅能用于消費(fèi)電子類產(chǎn)品。Sakti3目前也被英國(guó)家電巨頭Dyson收購(gòu)。非薄膜型固態(tài)電池以QuantumScape為代表。這一類電池整體性能指標(biāo)較為均衡,離子電導(dǎo)率高于聚合物電解質(zhì)、電池容量大、可量產(chǎn),是理想的電解質(zhì)材料之一。目前QuantumScape正在與大眾合作推進(jìn)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化。
2.3國(guó)內(nèi)固態(tài)電池進(jìn)展
國(guó)內(nèi)固態(tài)電池研發(fā)重要依托于中科院等科研機(jī)構(gòu),不過(guò)近幾年部分公司開始嘗試進(jìn)行科研成果的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化,例如贛鋒鋰業(yè)與中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊(duì)合作、中科院物理所與衛(wèi)藍(lán)新能源合作等。總體來(lái)看,國(guó)內(nèi)的固態(tài)電池研發(fā)呈現(xiàn)較為分散的格局,而且國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界(包括整車公司與電池公司)在固態(tài)電池領(lǐng)域的積累遠(yuǎn)不及豐田等國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
中科院青島能源所儲(chǔ)能院崔光磊團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事復(fù)合聚合物固態(tài)電解質(zhì)研究,目前已研制出全海深高能量密度高安全固態(tài)鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng),能量密度達(dá)300Wh/Kg,并且在馬里亞納海溝完成1萬(wàn)米的高壓環(huán)境下完成深海測(cè)試。
中科院寧波材料所許曉雄團(tuán)隊(duì)從事氧化物與硫化物固體電解質(zhì)研究,已經(jīng)開發(fā)出能量密度達(dá)到260Wh/Kg的10Ah固態(tài)單體電池。借助寧波材料所的技術(shù),江西贛鋒鋰業(yè)在寧波當(dāng)?shù)赝顿Y5億元人民幣籌建億瓦時(shí)固態(tài)動(dòng)力鋰離子電池生產(chǎn)線。第一代固態(tài)鋰離子電池技術(shù)通過(guò)中汽研汽車檢驗(yàn)中心檢驗(yàn),放電容量約13Ah,能量密度約245Wh/Kg,循環(huán)1000次后容量保持率大于90%。
