据海外媒体报道,宝马正在研发一款更为先进的锂离子电池,这款电池将用固态电解质代替现有的电解液,更轻、更安全、密度更高,计划于2026年实现量产。

本文引用地址:http://www.eepw/article/201703/344978

看到这则新闻,不禁联想到2016年8月的一则消息,英国戴森公司豪掷14亿美元新建电池工厂,用以研发新型固态锂电池。此前一年,该公司以9000万美金收购了美国固态电池企业Sakti3, 该公司创办人詹姆斯·戴森当时就曾提出将会投资近10亿美元去大批量生产固态电池。

消息一经公布,外界普遍认为这一举动对戴森和以他名字命名的公司来说是一场豪赌,引起了不小的争议。分析师们一致认为未来十年内看不到固态电池广泛应用的希望,当时特斯拉 CEO 埃隆·马斯克也公开表示不看好固态电池的前景,他认为,固态电池生产成本难以下降至当前的锂电池生产成本的水平,因而特斯拉把精力专注于降低现有锂离子电池成本的生产研发上,目前他们已投入50亿美金建造超大锂离子电池厂,据称可让锂电池的生产成本下降30%。

如今,宝马也开始从战略层面布局固态电池的研发与生产了,作为一家驰名世界的汽车生产商,宝马历来被视为是高档汽车制造业的先导,以注重车辆技术的研发与革新闻名。在动力电池领域,宝马一直是积极的倡导和参与者,早在2012年,宝马就开始涉足氢燃料电池,与丰田合作共同研发燃料电池系统。2015年,宝马又与道达尔公司联手推出可提供两种加注科技的加氢站。该加氢站除了符合工业标准以外,还增设了高压低温复合氢燃料存储科技,可将氢燃料存储能力提高50%,支持车辆实现超过500公里的续航里程。现在宝马又瞄准了固态电池领域,通过自身涉足固态电池的研发,不断积累完善技术储备,实现对未来市场的占领,再次向世人展示了其先人一步的发展眼光和策略。

我们知道,目前新能源领域以应用液态锂离子电池为主,液态锂离子电池里面含有液态的电解液,锂离子通过电解液在正负极间来回迁移实现电力供应。而全固态锂离子电池里面没有液态的电解液,取而代之的是聚合物类固态电解质(亦或者涂敷在隔膜表面),锂离子的迁移方式主要靠固态扩散。

固态电池与液态电池的差别主要体现在电解液的形态上面,当前液态锂离子电池电解液主要存在着以下几方面问题:

1、重量:一个电芯的重量,电解液可能就要占20-30%左右。(如果不使用液态电解液,电池的重量会降低很多,相应的电芯的能量密度就会增加)。

2、安全性:电解液极度易燃,传统锂离子电池的安全性较差跟电解液是有很大关系的。

3、稳定性:电解液在高电压下不稳定,易氧化分解成气体,导致电芯劣化甚至发生危险。

4、环保:电解液成分是六氟磷酸锂和一些酯类有机化合物、少量其他添加剂,具有一定的腐蚀性和环境毒害。

相比较而言,全固态锂离子电池的能量密度会更高,安全性也会大幅提高,可以承受更高的电压,耐过充性能也会提升,而且基本无环境毒害,代表了未来锂电池的发展方向。

但是也应当注意,全固态锂离子电池并非完美无缺,其最大的一个缺点就是高倍率放电性能极差,原因就是锂离子的固态扩散速度比在溶液里扩散慢得多,因此目前还只能应用在小电流的设备中,而在快充功能方面实现起来就比较困难了。另外一个缺点就是制造技术复杂,成本较高。

作为一种优缺点分明的新型锂离子电池,全固态锂离子电池的高安全性和高能量密度正是当前锂电池业界追求的目标,虽然存在着明显的缺点,但并不妨碍其未来的产业前景。

对于快充缺陷的问题,我们也不必过于耿耿于怀,因为科技的发展和进步总是在不经意间给我们带来振奋和惊喜。据发表在《Energy and Environmental Science》期刊上的一份研究报告显示,已94岁高龄的美国德州大学奥斯汀分校机械工程和材料科学教授 John Goodenough领导的一个团队发明了一种快速充电的低成本全固态电池,该教授称,他们使用固体玻璃电解质代替液体电解质,发现能解决许多今天电池固有的问题。这种电池能在零下 20 摄氏度的极端低温下工作,能量密度是现在锂离子电池的至少三倍,充放电超过 1200 次。

技术和材料的进步,让国内外越来越多的机构和企业看到了固态电池的光明前景,纷纷投入到固态电池的研发和生产中来,国外在这一领域起步较早并取得了一定的成果,大致情况如下:

世界主要机构厂商的研究进展

1.法国博洛雷公司的EV“Bluecar ”配备了其子公司Batscap生产的30kwh金属锂聚合物电池(LMP)采用Li-PEO-LFP材料体系。巴黎的汽车共享服务“Autolib”使用了约2900辆Bluecar。这是世界上首次用于EV的商业化全固态电池。

2.SEEO公司正在供货样品级38Wh、220Wh/kg的电池单元和130~150Wh/kg的电池组。2015年被BOSCH汽车集团收购。

3.德国KOLIBRI电池应用于Audi A2轿车,电池未真正商业化。

4.丰田应用在电动汽车电池体系Toyota prototype: LiCoO2/Li10GeP2S12/In

目前国内从事固态电池研究的机构企业主要有中科院化学所、中科院青岛能源所、中科院宁波材料所、宁德时代、中航锂电、珈伟股份、横店东磁、台湾辉能等,也已经取得了一定的突破,具体情况如下:

珈伟股份:2016年11月15日珈伟股份公司在上海发布了全球首例固态锂电池与快充锂电池,同时表示,将全力加速固态锂电池与快充锂电池的合体,将更深一层的安全保障与超强性能合二为一。

宁德时代:公司研发经理郭永胜表示,宁德时代正在积极布局动力电池下一代技术,在固态锂电池方面的投入研发比较多,同时也在开发固态电池的制造工艺。

此外,横店东磁在接受调研时也表示,将组织研发固态电池。

在材料方面,中国科学院宁波材料技术与工程研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所合作已经开发了一系列的氧化物和硫化物的粉体、陶瓷片等,已经开始对社会提供样品和供货。

中科院化学研究所在双功能聚合物电解质相关研究中,成功开发出新型双功能聚合物电解质,可用于室温固态金属锂电池。

中科院青岛生物能源与过程研究所在高能量密度固态电池研究中取得进展,针对固态电池发展中固固界面阻抗过大的瓶颈问题提出“原位自形成固态电解质”的解决方案,有效降低界面阻抗和提升电池综合性能。

全固态锂电池作为替代传统锂电的未来电池技术方向之一,已经吸引了众多国内外研究机构和企业进行研发,尽管在固体电解质材料以及成本、工艺上还有相当长的路要走,但面对其巨大的商业价值空间,一定还会有更多类似宝马一样的优秀汽车制造商以及电池企业投入其中,相信随着研发技术的推动和深入,固态电池产业化的步伐离我们越来越近了。