5月14日,据《The Korea Times》等多家媒体报道,三星计划与现代合作开发电动汽车,并为现代电动汽车提供动力电池和其他联网汽车部件。媒体预计,三星和现代将很快签署有关电池供应的无约束力谅解备忘录。据悉,三星向现代宣介绍了其最新的固态电池。
据三星说法,其原型电池充满电后,可以让电动汽车一次行驶超过800公里,电池循环寿命超过1000次,并且体积比同容量锂离子电池小50%。也正因此,固态电池被认为是未来10年最适合电动汽车的动力电池。
2020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》(Nature Energy)杂志上发表《High-eNErgy long-cycling all-solid-statelithium metal batteries enabled by silver–carboncomposite anodes》,介绍了其在固态电池领域的最新进展。
这种电池采用固态电解质,在高温下不易燃,还能抑制锂枝晶生长避免穿刺短路。此外它使用银碳(Ag-C)复合层作为阳极,能将能量密度提高到900Wh/L,1000圈以上长循环寿命及99.8%极高库伦效率(充放电效率),电池一次充电后可驱动汽车行驶800公里。
不过发表论文的SAIT和SRJ均为科研机构而非主攻工艺的三星SDI,文章仅阐明了新电池的原理、结构和性能,初步判断该电池仍处于实验室阶段,短时间内难以量产。
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固态电池与传统液态锂离子电池的区别在于用固态电解质替代电解液和隔膜,不必使用嵌锂的石墨负极,直接使用金属锂做负极,减轻了负极材料用量,有希望获得安全性更高、单体能量密度更高(>350Wh/kg)和寿命更长(>5000次)的动力电池,以及特殊功能(比如柔性)等需求。
新体系电池包括固态电池、锂流电池及金属空气电池。固态电池的三大体系各有优势,其中聚合物电解质属于有机电解质,氧化物与硫化物属于无机陶瓷电解质。
纵览全球固态电池企业,有初创公司,也不乏国际厂商,企业之间独踞山头信仰不同的电解质体系,未出现技术流动或融合的态势。目前已经有一部分技术路线接近了工业化的条件,固态电池产业化之路也一直在进行中。
欧美企业偏好聚合物与氧化物体系。法国博洛雷公司率先将聚合物体系固态电池商业化,2011年12月其生产的以30kwh固态聚合物电池 双电层电容器为动力系统的电动车驶入共享汽车市场,这也是世界上首次用于EV的商业化固态电池。
薄膜型氧化物固态电池厂家Sakti3于2015年被英国家电巨头戴森收购,可受制于薄膜制备的成本与规模化生产难度大,迟迟没有量产产品。
Maxwell关于固态电池的规划是先进入小型电池市场,2020年大规模量产,2022年用于储能领域。出于快速商业应用考虑,短期Maxwell可能先考虑尝试半固态电池,但半固态电池成本较高,多用在特种需求领域,大规模应用较难。
非薄膜型氧化物产品综合性能出色,是当前开发热门,台湾辉能与江苏清陶都是此赛道的知名玩家。
而日韩企业则更多致力于解决硫化物体系的产业化难题。代表性企业如丰田、三星均加速布局。硫化物固态电池(锂硫电池)由于具有较高的能量密度和低廉的成本,有着巨大的开发潜力,这其中以丰田技术最为领先。其发布了安时级的Demo电池以及电化学性能,同时,还以室温电导率较高的LGPS作为电解质,制备出较大的电池组。
日本已经启动了一项全国性的研发计划,最有希望的是丰田汽车和松下的联盟(丰田有近300名工程师参与研发固态电池),该联盟表示将在五年内将固态电池商业化。
丰田和NEDO所制定的全固态电池的商业化普及方案,首先使用现有LIB的正负极材料开发全固态电池(第一代电芯)。之后再使用新的正负极材料以期进一步提高能量密度(下一代电芯),预计2022年丰田汽车生产固态电动汽车的样车,2025年在部分车型中使用固态电池。2030年实现大规模量产应用,能量密度可达500Wh/kg。
从专利情况来看,固态锂电池前20位专利申请人中,日本企业占11家,其中丰田申请量最多,达1709件,是第二位松下的2.2倍。排名前10均为日韩企业,其中日本8家,韩国2家。
从专利权人的全球专利布局来看,日本、美国、中国、韩国、欧洲是专利布局的重点国家或地区。丰田除本土申请外,在美国和中国申请数量最多,分别占专利申请总量的14.7%和12.9%。
我国固态电池产业化之路也在不断探索中。根据中国的技术路线规划,2020年,逐步实现固态电解质、高比能正极材料合成及三维骨架结构锂合金构建技术,实现300Wh/kg小容量单体电池样本制造。2025年,固态电池界面调控技术,实现400Wh/kg大容量单体电池样品及成组技术。预计2030年固态电池和锂硫电池能够量产推广。
宁德时代IPO募投项目中的下一代电池就包括固态电池。根据NE时代报道,宁德时预计至少到2025年实现固态电池的量产。
综合看来,聚合物体系工艺最成熟,率先诞生EV级别产品,其概念性与前瞻性引发后来者加速投资研发,但性能上限制约发展,与无机固态电解质复合将是未来可能的解决路径;氧化物体系中,薄膜类型开发重点在于容量的扩充与规模化生产,而非薄膜类型的综合性能较好,是当前研发的重点方向;硫化物体系是最具希望应用于电动车领域的固态电池体系,但处于发展空间巨大与技术水平不成熟的两极化局面,解决安全问题与界面问题是未来的重点。
固态电池面临的挑战主要包括降低成本,提高固体电解质的安全性,以及在充电和放电时保持电极和电解质之间的接触。锂硫电池、锂空气等体系需更换整个电池结构框架,难题更多也更大,固态电池正极与负极可继续沿用当前体系,实现难度相对小。固态电池作为下一代电池技术具备更高的安全性和能量密度,将成为后锂电时代的必经之路。
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