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3分钟充满电、电池寿命长达20年,固态锂金属电池真正甩掉「用电焦虑」

本文作者:黄丽婷 2022-09-19 20:13
导语:固态锂金属电池,或许能真正解决电动汽车发展的动力问题。

3分钟充满电、电池寿命长达20年,固态锂金属电池真正甩掉「用电焦虑」

固态锂金属电池大规模产业化有望更早实现。

3分钟内完全充电,生命周期内可循环超过1万次,可持续使用20年——美国哈佛大学对于固态锂金属电池的研究有了新的技术突破。

与目前市场上电动汽车电池所用的传统锂离子电池不同的是,固态锂金属电池使用的是纯金属形式的锂,同时,使用固体电极和固体电解质取代锂离子电池中的液体或聚合物凝胶电解质。

相比市场上的传统锂离子电池,固态锂金属电池充电更快,能量密度更大,电池寿命更长。

美国哈佛大学对于固态锂金属电池的研究可追溯至去年5月,但彼时的技术停留在“10-20分钟内完全充电,10-15年的电池使用寿命”层面上。

此次固态锂金属电池技术新的突破,可以说,直接拉高了电池技术水平的平均线,若真正大规模产业化或将成为解决制约电动汽车发展动力问题的关键,进一步赋能电动汽车行业。

目前,初创公司Adden Energy宣布已获得哈佛大学技术发展办公室授予的独家技术许可,用于推进该技术的商业化,其目标是将电池缩小为手掌大小的“软包电池”。

由来已久

固态锂金属电池技术并非现在提出的全新概念,此前除了哈佛大学,还有很多公司对此项技术有过学术研究。

2020年12月,Quantum Scape对外宣布固态锂金属电池技术的进展,声称公司的固态电池相比市场上的传统锂电池续航高出80%,用15分钟即可充满80%的电量,且能够提供约16万公里的续航能力。

由于固态锂金属电池技术,QuantumScape曾在短短1个多月股价飙涨13倍,并获得大众集团的两次投资。

在我国,中国科学院物理研究所曾通过采用电子-离子混合导电活性物质作为正极实现100%全活性物质全固态电极,与金属锂负极搭配,构建出高能量密度全活性物质全固态电池,在电极层面上实现了770Wh/kg和1900Wh/L的能量密度。

2021年8月,Sakuú Corporation公司宣布,已开发出3Ah固态锂金属电池,将电池的能量容量提高了100倍,体积能效提高了12倍以上。并计划于2022年初开始量产这种电池。

学术的研究推动技术进展,固态锂金属电池技术在行业内“声名鹊起”,被誉为电池行业的颠覆性技术,甚至被冠以“动力电池的未来”的名号。

除了学术方面的研究,资本也早早布局固态电池领域,固态锂金属电池成为继三元锂电池后,各家角逐的新方向,固态锂金属电池的赛道持续升温。

固态锂金属电池被认为是未来5~10年的主流方向,在市场掀起一股研发和投资热潮。

近几年,包括日本、德国和美国在内的多个国家加大对于全固态电池(固态锂金属电池)的研发,现代汽车等企业也早于在2018年组建团队,进行相关研发工作。

我国对于固态锂金属电池的布局也不晚,早在2017年,赣锋锂业就布局固态锂金属电池的相关产业链,当年就对外宣布,计划以不超过2.5亿元投资建设第一代固态锂金属电池研发中试生产线。并且与固态电池专家、原中科院材料所研究员许晓雄博士达成战略合作协议,目标在3年内实现固态锂电池产业化。此外,像宁德时代、比亚迪等巨头公司均有固态锂电池领域的布局。

“对症下药”

不管是学术界还是资本界,对于固态锂金属电池的追捧都可以说是渐趋疯狂,究其原因在于,其能极大缓解新能源汽车发展过程中的“安全焦虑”和“里程焦虑”。

而安全性和能量密度是目前传统锂离子电池存在的两大短板。

对于汽车市场而言,如何保障安全无疑是头等大事,但近年来,新能源汽车发生的安全事故并不在少数。

据《动力电池安全研究报告》不完全统计,2021年共发生了50多起新能源汽车着火事故,大部分由电池热失控引起,动力电池安全问题俨然成为新能源汽车行业发展的拦路虎。

据了解,锂离子电池在使用过程中产生的树突或枝晶是电池着火的根本原因。

树突或枝晶像根一样长入电解质并刺穿分隔阳极和阴极的屏障,进而导致锂离子电池短路,而固态锂电池采用类似三明治的多层结构可防止枝晶结构生成。

所谓三明治的多层结构是指,将电池想象成三明治,首先一层是面包(锂金属阳极),然后是生菜(石墨涂层),接下来是一层西红柿(第一种电解质)和一层培根(第二种电解质),最后是另一层西红柿和最后一块面包(阴极)。在这种设计中,树突在“生菜”和“番茄”中生长,但在“培根”处停止。“培根”屏障阻止枝晶穿过使电池短路,从而防止了故障产生。

3分钟充满电、电池寿命长达20年,固态锂金属电池真正甩掉「用电焦虑」

简单点来说,相比传统锂离子电池,固态锂金属电池的安全性更高。

近几年来,新能源汽车的车轮驶向了更广的区域,新能源汽车不仅作为通勤的工具,更是家庭出游的首选。

消费者对于新能源汽车的需求催生了新能源汽车更高的续航要求,而动力电池无疑是是满足这一需求的重要载体,具体而言,即如何提高电池的充电速度和续航里程,这要求电池有更大的能量密度。

目前市面上的动力电池主要以磷酸铁锂和三元锂电池为主,磷酸铁锂电池在安全性能层面优于三元锂电池,但能量密度远不及三元锂电池,目前市场上三元锂电池的能量密度大致在300Wh/kg。

据我国《节能与新能源汽车技术路线图》,到2030年,电动汽车对于动力电池能量密度的需求将超过500Wh/kg,目前市场上不管是磷酸铁锂电池还是三元锂电池都无法满足该需求。

而固态锂金属电池或将成破局的关键。

未来已来?

市场上传统锂离子电池正极材料的能量密度表现已经逼近其理论值,近几年来,如何进一步提升能量密度成为了讨论的焦点。固态锂金属电池的提出,使得这一话题有了新的讨论载体,行业内对于固态电池的研究的热度也持续不减。

正如上面所言,相比传统锂离子电池,固态锂金属电池有着得天独厚的技术优势,被市场寄予厚望,然而事实上,固态锂金属电池的进展却远不如预期。

目前,固态锂金属电池也迎来一定程度的量产,但在实际生产过程中,相对于传统锂离子电池的优势并不明显。

一方面,固态锂金属电池仍面临着技术难关, 目前固态电池距离预设的高性能固态电池系统仍有差距,保留部分的电解液,并不是理想上的全固态。在文章前半部分我们提到,固态锂金属电池采用类似三明治的多层结构可防止枝晶结构生成,从而减少着火事故,但在实际量产中,仍然有锂离子的外漏。

另一方面,固态锂金属电池的相关产业链发展并未完善,现阶段固态锂金属负极电池的实际成本高于液态锂离子电池。

固态锂金属电池无疑是发展的一大风口,“固态锂金属电池是动力电池的未来”说法也似乎有理可据,但未来多久才来?还得看技术的完善和商业化进展。

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