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大众投资的固态电池 ..

大众投资的固态电池 靠谱吗?
2020-12-23

固态电池似乎离我们越来越近,新闻也是层出不穷。包括“十年磨一剑”的大众2014年就持股5%的QuantumScape。

12月8日,已经上市的QuantumScape,也就是由大众和比尔·盖茨投资的初创公司,公布了经过十年研究的最新固态电池的性能数据。据称,这种固态电池也可能是第一个商业上可行的固态电池。股市闻讯,QuantumScape股价大涨。

这种固态电池能将电动汽车的续航里程提高80%,并能在15分钟内充满80%的电量,并将于2024年投入生产。而它突破的关键是,使用柔性的陶瓷电解质取代液体电解质。据悉,即使在零下30摄氏度的极低气温下,电池性能也不会受到影响。

听起来激动人心。不过,最大的疑点是,电池的很多细节并没有公布,就像中金公司研报所说,现在展示的只是单层叠片,还不是电芯,那么无法确定电芯的电量多少,就无法计算它的充电设施的配套情况。反过来说,QuantumScape是不是仅仅“放了个PPT卫星”?

(来源:汽车公社微信公众号;ID:iAUTO2010;作者:王小西)

QS藏了些什么?

QuantumScape在这场说明会上讲了很多激动人心的技术,比如,这款固态电池相较于传统的锂离子电池,经过800次充电后仍能保持80%以上的容量,技术上有着明显的进步。

此外,这款电池是阻燃的,电池体积能量密度超过1000Wh/L,几乎是顶级商用锂电池组密度的两倍,也是目前特斯拉Model 3所用电池的四倍。

听起来很牛的样子。连公司的联合创始人、锂离子电池发明者、2019年诺贝尔化学奖得主之一Stan Whittingham都说,“制造一个固态电池最困难的部分是需要同时满足高能量密度、快速充电、长循环寿命和宽温度范围工作的多个要求。数据显示,QuantumScape的固态电池完全满足所有这些要求,这是以前从未报道过的。如果该公司能够将这项技术投入大规模生产,它就有可能改变整个行业。”

不过,QuantumScape也有很多的事情藏着没说。

比如,根据中金公司的研报意见,首先,QuantumScape并未给出具体的技术路线与详细的电池参数;其次,所展示的电池样品仅是单层叠片,并不是真正的电芯Cell。也就是说,目前还只是实验室的数据。

材料方面,根据QuantumScape专利的布局与宣传来判断,QuantumScape的固态电池路线应该为氧化物体系下的石榴石状复合氧化物固态电池(Composite Garnets Solid-state Battery),主流电解质体系为Li3La3Zr2O12(LLZO),即锆酸镧锂。

而且,中金公司从Google Patents上所查到的与QuantumScape大量相关的专利体系,也均为锆酸镧锂氧化物。这也是目前固态电池的氧化物路线中,最可能实现量产的材料,也是2007年后新发现的对锂金属最为稳定的氧化物电解质体系中的分支。实用方面,国内的清陶发展,已经有两条小的生产线量产。

所以,大众的固态电池走氧化物体系下的柔性陶瓷电解质路线,并不奇怪。不过,锆酸镧锂体系,优点和劣势都有。

锆酸镧锂(LLZO)体系的特点在于,一是所有目前固态电池电解质体系中,对锂金属适配性最好的电解质,相对有可能直接跳过硅负极,实现锂金属负极的应用。二是,LLZO的电化学窗口宽,可以承受5V以上的电压。

但是LLZO体系的缺点也很多,比如,这种石榴石复合物体系的电导率只有10^-4级别,比液体电解质直接小了两个量级。其次,LLZO对正极的界面性能较差。这是因为,一方面石榴石结构使得与锂金属接触面无法平整,另一方面与正极的接触相对较差。

所以,国内目前探索的解决办法有,复合正极、界面处理工艺优化、界面层引入以及电解质复合等。比如,清陶发展就走的复合正极的路子。

还有,就是制备工艺复杂,制造设备还不同源,换句话说,现有的锂电池生产体系不能通用,得重建。而且,除了电池本身,配套设施的建设这块,也是非常重要的。

2017年曾有菲斯科说“充电一分钟,可跑800公里”。但是根据公社数据组吕一星的计算,如果要达到这个效果,充电桩的铝制导线直径要达到60CM,就是比脸盆还要粗的线路。可能吗?以目前的技术来说,“这简直是要‘雷劈’才能做到的效果!”

按照这个模型(目前通用的350V电压下),记者计算了一下,固态电池15分钟要能充满80%,充电桩的铝制导线直径还是要达到15CM以上,就算换成导电率高一倍的铜制导线,直径也要7.5CM以上,目前来看,实现还是有难度的(计算方法可以加微信讨论karma-shanxi)。

最近,理想的李想说了一句,“只有在第二代电动汽车技术成熟的基础上,理想汽车才会做纯电动。”而第二代技术的一个标志是800V电压平台下的400kW快充。但从现实来说,5~10年内可能都难以实现400kW的充电功率。

我们知道,特斯拉希望的350kW超级充电桩的落地还无法确定。所以,综合各种情况来看,固态电池真正能实现量产和商业化的普及应用,业内给出的时间点是2030年以后。

所以,业内也有疑问,QuantumScape说固态电池计划2024~2025年能量产,这种可能性有多大?综合来看,锆酸镧锂为电解质的电池单体从理论性能上具备一定的实用性,但距离量产真的还有很长很长的过程。

所以,这款固态电池看来是QuantumScape和大众应对投资压力,放了一颗PPT的“大卫星”,给投资者以信心。从投资方面可以理解,毕竟十年了,得出点成果。再说,股市赌的就是未来。

不过,记者还是咨询了一下业内相关人士,该人士表示,包含稀土成分的锆酸镧锂“这个路线应该很困难。有两种元素含量都太少了。”硫化物路线是可行的。这也是丰田开发固态电池伊始,就考虑过的。所以,氧化物路线能走多远,我们还不能下结论。

固态电池的路径

我们再来说说固态电池。原理很简单,就是以固态或者半固态的电解质,来代替现有锂电池中使用的液态电解质。从技术上讲,固态电解质的厚度可以很薄,也就几十μm,减小体积也降低了重量。而兼顾高能量密度和高安全性的固态电池,是电池技术的一个终极目标。

固态电池的起始,最早可以追溯到1972年。当年,Scrosati B.首次报道了一种采用LiI为电解质的固态锂离子一次电池。11年后的1983年,日本东芝开发了一款可实用的Li/TiS2薄膜全固态锂电池。从那以后,固态电池的研究就一直在持续。

值得重点注意的是,目前绝大部分固态电解质的电导率比电解液小10倍以上,也就是一个数量级,因此快充性能上问题很大,非常怕大电流。此外,固态电池只有实现锂金属负极的应用,才能实现对目前电池体系质量能量密度的超越,这个难度相当高。

所以,固态电池的核心技术突破,主要是在达到高离子电导率的固态电解质材料技术,以及实现低阻抗固—固界面的制造技术。固态电池虽然具有安全性能好、能量密度高和循环寿命长等优点,但是,在汽车行业实现量产应用还早。

比如,目前固态电池的电池性能,仅略优于液态电池(400Wh/kg的单体能量密度),且循环寿命不高于500次。这次QuantumScape公布充电次数能达到800次,这个数据虽然很不错了,但应该还只是实验数据而已。

说完国外,说说国内。国内最早开始注意固态电池的,是陈立泉院士。根据他的讲述,在他的呼吁下,1987年,中国科技部将固态锂电池列为第一个“863”计划重大专题。不过,按照当时的技术水平,这个任务明显是“MISSION IMPOSSIBLE”。

直到2012年,中国科技部再次将固态储能锂电池列入“十二五”的“863”计划。2018年,中国科技部将对动力及储能应用的固态锂电池同时列入国家重点研发计划。

2019年12月,工信部发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿),在“实施电池技术突破行动”中,加快固态动力电池技术研发及产业化被列为“新能源汽车核心技术攻关工程”。从这些年的历程中,我们也可以看到固态电池的技术难度有多大。

而根据智研咨询2019年发布的《2019-2025年中国全固态电池市场专项调查及发展趋势分析报告》,从全球看,目前日韩在固态电池开发领域专利技术较为领先。

从1990年至2018年,固态电池领域已经公开的专利数目为1926件,其中全固态电池领域专利数目达到871件,占比约45%。而从地域上看,日本拥有固态电池专利916件,占比接近一半,领先优势较大。中国的专利为362 件。全固态电池方面,日本拥有专利657件,占比75%,领先优势更加明显。这方面,中国、韩国分别拥有专利 128 件、37 件。美国在全固态电池领域,仅拥有29件专利。

所以,中国企业虽然声量很大,但是,真正的专利并不多。中国企业普遍难以持续投入研究固态电池,有的还喜欢“吹牛”在先,很多爆出来的成果,都是对投资人说的,真正能落地的不多。这是我们更加需要理性对待的。

日系的硫化物路线

我们再来说说另外一个主流路线。国内的清陶和QuantumScape走的是氧化物路线,而日系呢?日系和韩系,走的是硫化物路线。

我们现在讲固态电池,其固体电解质可大致分为三类:无机电解质、固态聚合物电解质、复合电解质。目前业内比较主流的是两种,硫化物和氧化物,此外有固态聚合物、薄膜等。

氧化物虽然在高安全性及易生产性方面更具优势,但室温下离子电导率的提升仍是世纪难题。而聚合物路线,虽然率先实现了小规模量产,技术已经成熟,但是类似于“一个需要长期服用兴奋剂的运动员”,“出道即巅峰”,没有后续的潜力,属于边缘化的非主流。

而硫化物路线,是三种路线中技术难度最高的,但是潜力很大,受到日韩企业的追捧。不过,也只有日韩企业能够有耐心,去认真钻研。

丰田是坚定的硫化物技术支持者。通过多年的默默研究,丰田已经取得了一定的成果。丰田本来计划2020年在东京奥运会推出搭载硫化物固态电池的纯电动汽车,计划于2022年实现量产。不过,受疫情冲击影响,丰田推迟了亮相的计划。

不过,丰田汽车动力总成公司执行副总裁兼电池业总经理Keiji Kaita曾经表示,丰田计划在2025年之前量产固态电池,能量密度比锂电池提高两倍以上,充电效率也更高,从零充满仅需15分钟。

而丰田在固态电解质材料方面的技术基础,来自于日本东京工业大学的菅野了次教授2011年发明的硫化物固态电解质,其室温下离子电导率>10-2S/cm(超越了传统有机电解液)。

经过十几年的研究,丰田不仅获得了固态电解质材料、固态电池的制造技术等方面的专利,还研发了一整套的正极材料和硫化物固态电解质材料回收的技术路线和回收工序。这是大众也急着投入巨资搞固态电池的原因所在,对手太强大了。

此外,三星和宝马也都在研发硫化物固态电池的技术。今年3月初,三星高等研究院(SAIT)与三星日本研究中心(SRJ)在《自然-能源》声称,已经开发出一种高性能全固态电池。这种电池的循环寿命超过1000次,可以让电动汽车在单次充电的情况下行驶800公里。

去年,三星还参与投资了Solid Power。而宝马则于2017年开始,就与Soild Power共同开发固态电池。在硫化物路线上,能不能尽快出成果,也考验着这些企业的耐力和实力。

不过,以丰田固态电池的缓慢的制造过程而言,我们就知道,离大规模生产还有很远的距离。

丰田的固态电池必须在超干燥的非水环境中生产,是在一个名为“手套箱”的透明盒子中制造,工人们通过紧密嵌在盒子上的橡胶手套将手伸入箱子里面操作。很明显,这还处于试验室的阶段,离大规模制造还很远。

Keiji Kaita也谨慎地表示,丰田仍有望在2025年实现“有限数量”的生产。但是,由于生产规模较小,最初的成本会很高。所以,最初生产的几年里,这种固态电池的产量将非常低。而且,丰田的目标是,这种电池经过较长时间(30年)的使用后,仍然能够保持90%的性能,这让该电池的研发变得更加复杂。

综合来看,目前各大车企都在加紧固态电池的研发与产业化布局,而三星SDI、SKI、LG化学、麻省固能SES以及QuantumScape等,在固态电池领域也在不断取得新突破,时不时会出新的成果。

国内包括辉能科技、赣锋锂业、清陶能源、万向一二三、卫蓝新能源等中国企业,也都在建设固态电池产线,甚至部分已投产。而面向2025年后的下一代动力电池的卡位战,早已经悄然拉开战幕。

不过,固态电池的实际应用前景,看来还在2025~2030年,任何过于乐观的估计和预测,在现实面前,都需要冷静一下。

就像中金分析的那样,目前的锂电体系迭代后可以实现800~1000km的续航,能够满足需求。此外,在供应链配合与规模效应下2025年前能够实现燃油车和纯电车平价。而固态电池一方面宣传的1000~1400km高续航影响力有限,没有现实中的充电网络便捷性重要;另一方面,固态电池高企的成本也导致了5~10年内的性价比实在不高。

固态电池未来的前景非常诱人,根据中银国际测算,全球固态锂电池的需求量在2020年、2025年、2030年分别有望达到1.7GWh、44.2GWh、494.9GWh,2030年全球固态电池市场空间有望达到1500亿元以上。但是,记者认为10年之内,固态电池还无法主导。


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