固态电池技术为何难突破?

2019-10-06      184 次浏览

固态技术承诺比现在任何电池都更便宜,充电速度也更快,但目前没有人真正找出实现这个目标的方法。


要生产出更便宜、更安全、一次充电可行驶800公里的电动汽车,说起来容易做起来难,汽车行业真想造出这样的车,需要在电池技术上取得突破才行。


日本、中国和美国的科学家正努力着,想要找出大幅提高电池储能能力的方法,使电动车的行驶里程达到与充满油的传统车相当的水平。


目前,这一探索集中在固态技术上,即对电池内部结构进行彻底改造,使用固体材料而不是可燃液体来实现充电和放电。


这项技术有望对现有的锂离子电池组进行重大改进。车企表示,锂离子电池组的存储能力已经达到极限,可能永远无法为跑长途的车辆提供足够的电力。


拿特斯拉的超级充电站来说,30分钟能将一辆耗尽的汽车充电至80%。如果能掌握固态技术,将进一步加速内燃机汽车的消亡,并有可能将电动车的充电时间从几个小时缩短至10分钟左右。


“除了固态技术,我们想不到还有什么办法可以实现目标。”福特汽车储能策略与研究高级经理泰德·米勒(TedMiller)说道。


米勒研究过多种增强电动车电池能力的技术,“我现在无法预测的是,谁会将固态技术商业化。”他补充说。


固态电池使用更小体积电池组为电动车提供更多续航里程


用电动车替代燃油车预计将推动锂离子电池的指数增长,能为公司带来无比巨大的回报。


彭博新能源金融(BNEF)最新报告发现,2017年,电动的公交车和乘用车占了440G瓦时的锂离子电池需求。到2030年,这一需求预计将激增至每年超过1500G瓦时。


瑞银集团数据显示,到2025年,电动车电池的市场价值将达到840亿美元左右,而目前的市场价值约为230亿美元。


固态电池成功之前


在进入电动车和公用事业规模的储能领域之前,锂离子技术几十年来都是移动电话和个人电子产品的标准技术,它使用液体电解质在正极和负极之间传送离子,为电池充电或放电。


而固态电池,顾名思义,是用陶瓷、玻璃或聚合物等固体材料来代替液体的电池产品。这将降低电池起火的风险,电池组体积也能变得更小,方便安装在汽车座椅之下。


研究人员希望将固体电解质与锂金属阳极配对,以提高能量密度。这不仅使电动车一次充满电后可以行驶更长距离,也有助于消除消费者对电动车续航里程的担忧,从而提高销售量。


但是,要实现这一切,需要解决一系列难题。


现阶段的原型产品使用寿命过短,传导率也低的可怜,并不适用于电动车。更不用说,还有过高的制造成本,充放电时也有可能发生材料的剧烈膨胀和收缩等不利因素。


日本锂离子电池技术与评估中心(LIBTEC)常务理事石黒恭生说:“当科学家解决了一个问题的同时,通常会加剧另一个问题的影响。”


“在所有的参与者中,似乎每个人都解决了5项最重要的事情中的1项、2项或3项,但没有人真正解决所有问题。”菲斯科电动汽车公司董事长兼CEO亨里克·菲斯科(HenrikFisker)给出了这样的解释。


包括丰田、松下和日产在内,超过25家公司得到了约9000万美元政府资金支持,以加快固态技术发展。


中国青岛市新能源研究所将在2年内对汽车进行试验,并考虑2025年前将其商业化;中国最大的电池生产商宁德时代也在其先进电池研究中加入了固态电池。


韩国三星SDI、SK创新和现代汽车都表态说,正在研究这项技术;开始造电动车的英国戴森公司也把目标瞄准了固态电池。


“至于乘用车,我们应该会在2020年代初期看到原型产品。”戴姆勒电池研究负责人安德烈亚斯·辛坦纳赫(AndreasHintennach)说道。


大众汽车则计划最早于2022年与合作伙伴QuantumScape开始试生产。


上述公司给出的时间线也许证明了他们对此项技术积极乐观的态度。但博尔德总经理、行业顾问萨姆·贾菲(SamJaffe)却说:“实际上,想要让这类电池发挥作用,各个公司面临的将是一个残酷的战场,还没有一家企业有获胜的把握。”


BNEF驻伦敦分析师詹姆斯·弗里斯(JamesFrith)认为,到2020年代末,具备上述所有优势的固态电池才会面市,即便如此,其定价仍有可能偏高。


至于特斯拉,这家公司称经常与开发人员交谈,并对电池原型进行评估,但目前还没有发现比现有锂离子电池组更好的技术。


它的ModelS一次充电可以行驶约539公里,“我们已经尽了最大的努力,如果有更好的技术,公司愿意去尝试,只是我们目前还没有发现更优选择。”特斯拉CTO斯特劳贝尔(JBStraubel)在一次年度会议上说道。


特斯拉供应商松下表示,它将继续研究固态技术,尽管“在实现商业化之前还有许多障碍”。


丰田的潜力和它的对手


综合竞争对手能力、公司制造能力和专利数据,取得突破的最大希望也许落在了丰田的肩上。


过去10年里,丰田派出多达200名员工研发固态电池技术,主要是在靠近富士山的东富士研究所进行。


这家亚洲最大的车企拥有至少233项与固态技术相关的专利或申请,彭博分析称,其数量超过竞争对手近3倍。


丰田在使用固态电池为数字时钟、两轮滑板车和传送带供电方面取得了进展,然后又在单座低速车COMS的改进型中测试了这项技术。


“对研究人员来说,这款车更像是一种激励,而不仅仅是一种交通工具。”LIBTEC的石黒恭生说道。


不仅如此,根据丰田2018年10月发布的年度报告,该公司将在电池业务上投资1.5万亿日元(合139亿美元),并计划2020年代初期将固态技术商业化。


福特汽车称,由于许多现有电动车电池制造商专注于提高产量和降低成本,丰田的主要竞争对手可能是一批美国初创企业。


考虑到这种可能性,2018年,大众投入1亿美元增持了其在QuantumScape的股份。QuantumScape由斯坦福大学前研究人员创立,总部位于加州圣何塞。


总部位于马萨诸塞州沃本的Ionic材料公司则有着SunMicrosystems联合创始人比尔·乔伊(BillJoy),以及雷诺、日产和三菱汽车组成的风险投资基金支持。


从麻省理工学院分离出来的SolidEnergy公司CEO胡启朝透露,他们预计2022年开始电动车测试工作。


自2017年12月起,电池公司SolidPower与宝马建立了开发合作关系。


“实话是,多种难题等着我们去解决,但我有信心,因为没有一个难题是只能等着奇迹发生。”


SolidPowerCEO道格·坎贝尔(DougCampbell)给出了这样的回答,他对固态技术在汽车上的商业可行性充满信心,但他也说:“可能还要再等5到10年才能实现。”


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