磷酸錳鐵鋰、鈉離子電池、復(fù)合集流體作為動(dòng)力電池領(lǐng)域2023年最重要的技術(shù)創(chuàng)新成果，均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
而遙看星辰，作為下一代電池重要技術(shù)路線之一的半固態(tài)、全固態(tài)電池技術(shù)，在技術(shù)、市場(chǎng)的推動(dòng)下，其產(chǎn)業(yè)化也正在臨近。
近期，有關(guān)半固態(tài)、固態(tài)電池的消息日益增多，而從市場(chǎng)動(dòng)作來看，基于該技術(shù)的產(chǎn)品裝車也已經(jīng)有了時(shí)間表。
日前，三星SDI社長(zhǎng)透露，“今年，我們已經(jīng)完成了全固態(tài)電池中試線的建設(shè)，準(zhǔn)備在下半年生產(chǎn)樣機(jī)?！彼€指出，“我們正在為下一代電池產(chǎn)品的開發(fā)和量產(chǎn)做準(zhǔn)備，包括完成直徑46毫米圓柱形電池的‘M線’。”
去年7月，蜂巢能源透露，該公司已經(jīng)研發(fā)出國內(nèi)首批20Ah級(jí)硫系全固態(tài)原型電芯。該電芯的能量密度高達(dá)350~400Wh/kg，比鋰離子電池高出30%以上，并已順利通過針刺、200℃熱箱等試驗(yàn)測(cè)試。
上個(gè)月，豐田汽車對(duì)外表示，該公司擬于2027年向市場(chǎng)投放配備“全固態(tài)電池”的純電動(dòng)汽車。
國內(nèi)方面，近日，上汽集團(tuán)也對(duì)外表示，擬向清陶能源追加投資近27億元，深化布局固態(tài)電池技術(shù)。根據(jù)上汽集團(tuán)的規(guī)劃，2024年上汽集團(tuán)旗下智己汽車將推出搭載固態(tài)電池的高性能、長(zhǎng)續(xù)航車型，并率先實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn);2025年上汽集團(tuán)旗下飛凡、榮威、MG名爵等品牌也將推出固態(tài)電池相關(guān)車型，計(jì)劃在2025年其固態(tài)電池車型銷量將突破10萬輛。
在通往固態(tài)電池這一技術(shù)之巔上，中國科研院所也有好消息傳來。
據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)消息，近日，該校馬騁教授研發(fā)出一種新型固態(tài)電解質(zhì)，據(jù)報(bào)道其綜合性能和目前最先進(jìn)的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相近，但成本不到后者的4%，很適合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。該成果以“A cost-effective, ionically conductive and compressible oxychloride solid-state electrolyte for stable all-solid-state lithium-based batteries”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。
資料顯示，為了滿足實(shí)際應(yīng)用需求，全固態(tài)鋰電池的固態(tài)電解質(zhì)至少需要同時(shí)具備三個(gè)條件：
· 高離子電導(dǎo)率(室溫下超過1毫西門子每厘米);
· 良好的可變形性(250-350兆帕下實(shí)現(xiàn)90%以上致密);
· 足夠低廉的成本(低于50美元每公斤)。
值得注意的是，目前被廣泛研究的氧化物、硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)，以現(xiàn)有技術(shù)都無法同時(shí)滿足這些條件。比如，氧化物作為脆性陶瓷，普遍不具備可變形性;硫化物和大部分氯化物則成本高昂，至少在200美元每公斤的量級(jí)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)消息指出，這些材料中唯一的例外是氯化鋯鋰，但是它的離子電導(dǎo)率卻遠(yuǎn)低于1毫西門子每厘米。
來源：中國科技大學(xué)官網(wǎng)
此次研究中，馬騁教授不再聚焦于上述氧化物、硫化物、氯化物中的任何一種，而是轉(zhuǎn)向氧氯化物，設(shè)計(jì)并合成了一種新型固態(tài)電解質(zhì)——氧氯化鋯鋰。
據(jù)介紹，新型固態(tài)電解質(zhì)氧氯化鋯鋰具有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。如果以水合氫氧化鋰、氯化鋰、氯化鋯進(jìn)行合成，它的原材料成本僅為11.6美元每公斤，遠(yuǎn)低于50美元每公斤的成本要求;如果以水合氧氯化鋯、氯化鋰、氯化鋯進(jìn)行合成，氧氯化鋯鋰的成本可以進(jìn)一步降低到約7美元每公斤，遠(yuǎn)低于目前最具成本優(yōu)勢(shì)的固態(tài)電解質(zhì)氯化鋯鋰(10.78美元每公斤)，并且不到硫化物和稀土基、銦基氯化物固態(tài)電解質(zhì)的4%。
當(dāng)前，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化除了技術(shù)難點(diǎn)外，成本也是一道難以跨越的坎。據(jù)測(cè)算，僅目前接近產(chǎn)業(yè)化的半固態(tài)電池成本，就已遠(yuǎn)高于商用化的液態(tài)電池成本。
今年5月，蔚來新一代ES6正式上市，在發(fā)布會(huì)上，蔚來董事長(zhǎng)李斌介紹稱，基于半固態(tài)電池的蔚來150kWh電池包將于今年7月上線，并搭載到ES6車型上，CLTC純電續(xù)航達(dá)到了930公里，同時(shí)該電池包支持換電。
蔚來聯(lián)合創(chuàng)始人、總裁秦力洪表示，150kWh電池包成本很高，相當(dāng)于一輛ET5(75kWh電池版整車32.8萬元，電池租賃版25.8萬元)。
根據(jù)測(cè)算，以NCM811液態(tài)電芯和NCM811半固態(tài)電芯為例，半固態(tài)電芯成本相比液態(tài)電芯成本增加約80%。其中，固態(tài)電解質(zhì)成本是主要新增成本，也是半固態(tài)電池中的主要成本，占比約50%。由于電解質(zhì)材料變化、生產(chǎn)工藝改變、產(chǎn)品質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致的工程驗(yàn)證周期長(zhǎng)等因素，都會(huì)使得全固態(tài)電池比半固態(tài)電池成本更高。
據(jù)中國科技大學(xué)介紹，除了極強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)，氧氯化鋯鋰的綜合性能和目前最先進(jìn)的硫化物、氯化物固態(tài)電解質(zhì)相當(dāng)。它的室溫離子電導(dǎo)率高達(dá)2.42毫西門子每厘米，超過了應(yīng)用所需要的1毫西門子每厘米。與此同時(shí)，它良好的可變形性使材料在300兆帕壓力下能達(dá)到94.2%致密，也超過應(yīng)用所需要的水平(250-350兆帕下90%以上致密)。
此外，由氧氯化鋯鋰和高鎳三元正極組成的全固態(tài)電池展示了極為優(yōu)異的性能：在12分鐘快速充電的條件下，該電池仍然成功地在室溫環(huán)境下穩(wěn)定循環(huán)2000圈以上。
氧氯化鋯鋰的發(fā)現(xiàn)，使固態(tài)電解質(zhì)在性能、成本上“魚與熊掌”兼得，如果該材料和技術(shù)得以快速產(chǎn)業(yè)化，對(duì)全固態(tài)鋰電池裝車將具有重大意義。
相較于全固態(tài)電池，今年以來，半固態(tài)電池消息更為熱鬧，且產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)到來。
6月30日，衛(wèi)藍(lán)新能源歷時(shí)兩年多開發(fā)的360Wh/kg半固態(tài)電池正式交付給蔚來，并將于7月配套裝車到蔚來ES6車型上;
孚能科技透露，今年5月，該公司自主研發(fā)的第一代半固態(tài)電池已順利量產(chǎn)裝車，電池的安全性能和單體電芯能量密度得到提升。
而在今年4月，寧德時(shí)代發(fā)布了凝聚態(tài)電池(Condensed Battery)，單體能量密度最高可達(dá)500Wh/kg，兼具高能量密度和高安全的特性，并且其乘用車用的凝聚態(tài)電池(據(jù)報(bào)道能量密度在300Wh/kg左右)今年將具備量產(chǎn)能力;同月，億緯鋰能表示，該公司基于50Ah的固液混合半固態(tài)體系軟包電池，可實(shí)現(xiàn)330Wh/Kg的能量密度，超過1000次的循環(huán)壽命，使用溫度可拓展到-20℃-80℃，目前已完成設(shè)計(jì)定型，并裝車驗(yàn)證中。
需要指出的是，一種新技術(shù)、新材料從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化往往需要數(shù)年的時(shí)間，需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)投入。基于氧氯化鋯鋰的全新固態(tài)電解質(zhì)在技術(shù)理論層面已經(jīng)有了質(zhì)的突破，而這一技術(shù)的出現(xiàn)相信會(huì)成為業(yè)界努力的方向之一，而能否快速產(chǎn)業(yè)化仍有待持續(xù)觀察。但半固態(tài)、全固態(tài)作為動(dòng)力、儲(chǔ)能電池的方向，在市場(chǎng)倒逼下，相信其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程會(huì)加速到來。