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財經 | 產業動態

鋰電池易耗損、會起火⋯全球搶造電動車,為何「電池革命」卻遲遲不來?

(來源:Dreamstime)
撰文者:大壯旅
網民肥皂箱 2021.03.10
摘要

1.超過30年來,鋰電池在業界屹立不倒。不過充放電循環過程產生的樹突結構,卻會縮短電池壽命,甚至起火。

2.相較於鋰電池,固態電池擁有4項優點:安全性更好、體積更輕薄、能量密度高、生產製造難度低。

3.業界普遍認為,固態電池真正落地時間會在2025-2030年之間。

造車熱背後,電池革命也時常被人所提及。遺憾的是,多年過去,好像誰的命也沒被革成。

去年10月,一家名叫QuantumScape的美國固態電池新創公司宣稱:「我們的新型電池不但能讓電動車續航翻倍、15分鐘完成充電工作,甚至還比現有的鋰電池更為安全。」3個月後,大洋彼岸的中國,蔚來發布了一款續航超過1000km的車型。他們號稱會配備固態電池技術,2022年第四季度正式開賣。

或許,QuantumScape和蔚來真可憑藉固態電池帶來一次真正的技術革命,但在實現這一目標之前,尚需瓦解鋰電池建立的幾十年的統治地位。

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電池革命,為何遲遲不來?

鋰電池為何能夠統治業界超過30年卻屹立不倒?答案比較簡單:打造新型電池的化學方程式尚未出現。「自18世紀以來,電池的基本概念從未發生改變。」雪梨大學化學家、Gelion Technology的創始主席Thomas Maschmeyer教授說道。

所有電池的主要構件無外乎3個:正極、負極、電解質(起催化劑作用)。在上述3大元素不可改變的大前提下,如果業界想要實現革命性的技術突破,就必須對電池的化學成分做出調整。

過去幾十年來,電池研究者們在元素週期表上可沒少下功夫,目的則是能夠找到代替鋰電池的新型化合物。主要路線分為兩種:

一、研發超越鋰電池能量密度的新型電池,比如固態電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。
二、在已有電池中添加更多元素,如鈉離子、鋁離子和鎂離子電池。

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不過,改變電池化學成分說起來容易做起來難,解決一個問題的同時可能會帶來多個新問題。最主要的原因是電池在化學反應中會產生能量。以常見的鋰離子電池為例,它們會用到石墨負極和金屬氧化物正極(通常是鈷、鎳、錳、鐵或鋁),而電解液則是有機溶劑中的鋰鹽。當鋰離子電池通電時,負極與電解液中的鋰發生反應,產生電子積聚在負極周圍,正極發生化學反應後就會吸引這些電子,產生電子流。

這一過程被稱為還原——氧化過程(也就是化學課的「氧化還原」反應)。在一次性電池(比如遙控器裡的AA電池)來說,電子流只需朝著一個方向工作。但在充電電池上,電子流的運動過程就變成可逆的了。也就是說,在正極和負極之間穿梭的電子必須買張「往返票」,而且不會消耗或破壞活性化學物質。鋰離子電池之上,氧化還原反應簡直是教科書級別的。在電池材料開始退化之前,電子可以雙向移動,實現數千次循環。

可惜的是,這世上萬事皆有缺憾:充放電循環會產生微小的樹突結構,會穿過電解液,縮短電池壽命。在極少數情況下,鋰離子電池還會起火(想想當年出現燃損事故的Note 7)。

那麼,如果換種成分,將鋰換成鎂呢?後者更容易開採,而且能夠達到類似的能量密度。事實證明:鎂離子電池理論沒問題,實踐一團糟。

對鋰有效的化學反應對鎂不起作用,而且對鈉、鋁或任何其他體系都不起作用。在鋰離子電池中,鋰可以通過嵌入的過程擴散並穩定在石墨負極內,但鎂不行。它不但無法穩定在負極之內,還會在負極發生反應,形成固體電解質界面膜(SEI),進一步阻礙鎂離子在電極和電解液之間的擴散。一旦這層界面膜出現,電池性能會迅速下降。

鎂元素遭遇的問題並不罕見,不少要將鋰元素打下神壇的化學成分都能實現充放電功能,但做得都不夠完美。顯然,擴散能力弱,意味著鎂離子電池無法儲存大量能量。鋰空氣電池雖然實現了高能量密度,但在穩定性方面存在問題。

至於鈉,雖然它是地球上儲量最為豐富的化學元素,但鈉離子電池能量密度很低,根本無法用於消費電子產品或電動車。

這麼多鋰電池的變體中,唯一投入市場的恐怕只有鋰硫電池了。這項技術被人們所期待的最主要原因是:它能將電池能量密度提到傳統鋰離子電池的5倍。不過,鋰硫電池也不完美,因為鋰和硫會發生化學反應,產生多硫化鋰。這種物質的溶解度很高,能擴散到電解液中並穿過分隔正極和負極的隔膜。

多硫化鋰可不是人們想要的氧化還原反應,因為它會覆蓋負極並使其鈍化,隨後就是容量的迅速降低,直至電池最終罷工。這個過程叫做多硫化物重組,20多年來,它讓研究人員們傷透了腦筋,儘管做了大量改善工作,但仍然難以找到商業化落地的變通方法。

固態電池,能取代鋰電池?

當所有研究人員都一籌莫展、難尋進步通道時,固態電池登場了。

何為固態電池?它拋棄了傳統電解液,轉而使用固態電解質,而新的電解質則是固態電池的核心。除了能夠做好自己的本職工作,固態電解質還能一併扮演隔膜的角色。固態電池正極材料選擇上,高電壓型電極材料就可勝任;至於負極,則可用到鋰金屬,以實現能量密度的大飛躍。固態電池事實上並非新鮮事物,其研發進程開始於上世紀50年代,最近幾年因為電池革命需要被迫走上前台。相比於傳統鋰電池,固態電池有幾大優勢:

一、安全性更好
二、體型更加輕薄
三、能量密度更高
四、生產製造難度更低

通常,動力電池系統需要先生產單體,單體封裝完成後將單體之間進行串聯組裝。若先在單體內部進行串聯,則會導致正負極短路與自放電。

固態電池電芯內部不含液體,可實現先串並聯後組裝,減少了組裝殼體用料,封裝設計得以大幅簡化。

從理論上來講,量產電動車中最強的21700NCA三元鋰電池電芯(特斯拉使用),其能量密度也只有251Wh/kg。業內人士認為,300Wh/kg將是三元鋰電池難以跨越的鴻溝。至於固態電池,其能量密度有望達到400-1000WH/kg,這可大大緩解電動車用戶的里程焦慮。此外,它的應用還能拉低電池組甚至整車的成本。由於固態電池已經沒有燃燒或爆炸之憂,BMS等溫控組件(這也是特斯拉的強項)可以徹底退役,無隔膜設計還能進一步為電池系統減負。

利好無數,但固態電池想從實驗室量產上車可不簡單。眼下,固態電池仍存不少問題,譬如離子電導率低、高界面阻抗等。

此外,即使解決了材料問題,電池標準化製造等問題也會凸顯出來。當年的鋰離子技術比較幸運,它在CD機替代卡帶時誕生,而存儲介質的轉換讓不少索尼的薄膜工廠閒置了下來。當日本人意識到這些薄膜工廠能助鋰電池一臂之力時,原本過時的產能又被重新啟動。也就是說,鋰電池誕生之初,就已經做好了規模化量產的準備。

相比之下,固態電池的情況大不一樣。「這是完完全全地打掉重來,量產之前必須放棄過去30多年所建成的電池工廠和技術,因為固態電池與此前的技術儲備毫不兼容。」Sila Nanotechnologies CEO Gene Berdichevsky 指出。

與此同時,今天鋰離子電池的普及經過了30多年的量產迭​​代才能出現。1994年,最常用的18650型鋰離子電池的製造成本超過10美元,容量僅為1100mAh。到了2001年,價格降到了3美元,容量也躍升至1900mAh。今天,此類電池已經有了超過3000mAh的容量,而且成本還在持續下降。「沒有人會與性價比過不去,鋰離子電池至少還能統治整個行業10年時間。」某電池專家認為。

電池行業發展與成本息息相關,而成本與規模更是緊密相連。鋰離子電池在擁有如此良好開局的情況下,依然花了15年時間才從高度專業化的產品進化成大眾市場產品。對於那些號稱要在幾年內徹底顛覆整個電池行業的新技術,不少人仍然持懷疑態度。

從股價上,我們也能看出一些端倪。作為固態電池界的明星公司,QuantumScape手握200多項固態電池專利,市值曾一度衝高至500億美元,但從去年年底到現在已經跌掉了一大半。有人指出,雖然QuantumScape技術不錯,但他們拿出的樣品電池比蘋果手錶的電池都要小,而且從未走出過試驗室。在研究了公開的技術文件後,不少人認為QuantumScape也許最終能將固態電池推向市場,但恐怕很難滿足車用要求,而且價格會非常昂貴。

眼下,業界普遍認為,固態電池真正落地時間會在2025-2030年之間。

汽車巨頭搶做固態電池

事實上,目前已有不少巨頭或多或少投資了一些固態電池新創公司。福特、寶馬與現代就聯合投資了名為Solid Power的新創公司,本田則選擇與NASA及加州理工合作,試圖研究出可將能量密度提升10倍的新產品(不過該項目依然在用電解液)。通用方面,不但拿到了美國能源部的200萬美元獎勵,還攜手LG化學投資2億美元繼續開發固態鋰電池,為旗下雪佛蘭Bolt電動車提供彈藥。

與福特建立同盟關係的大眾則向美國固態電池新創公司QuantumScape投資3億美元,不過它們的生產線2024年才能建成(1gWh),而2026年第二座工廠才會成型(20gWh),至於大規模量產要到2028年了。

相比之下,豐田走得最快,它們此前準備趁著東京奧運會發布一款搭載固態電池的電動車(已跳票)。不過,量產恐怕要再等5、6年。除此之外,豐田還聯合本田、日產與松下組建了一個日本固態電池研發聯盟,預計2030年能將電動車續航做到500英里(約合804千米)。有趣的是,松下曾表示固態電池未來十年內都難以投入商用。

也許,在固態電池來臨之前,鋰電池可能還會統治業界一段時間。比如小鵬又最新發布了他們基於磷酸鐵鋰電池版本的P7及G3。

理論與實踐有時候不太同頻。假設固態電池真的能夠快速落地,實現了某些廠商聲稱的1000KM續航,關於電動車,人們還會有其它焦慮嗎?當然有,而且還不少。譬如充電速度、充電站建設,充電站背後的電網設施等等。

英國華威大學的David Greenwood教授表示,電動汽車的成功取決於無處不在的充電網絡和更快的充電速度。先看快充技術,這裡首先還得明確試驗室技術與商用技術之間的差別,因為真正裝車後的產品就必須在極端的溫度、苛刻的駕駛條件和大功率快速充電等工況下接受考驗,而它們對任何技術而言都是巨大的挑戰。

另外,隨著電動車保有量的不斷增加,以及電動車商用化的深入,快充網絡將變得越來越重要。作為年發電量占到全球4分之1的發電超級大國,電能倒不會成為製約中國電動車發展的瓶頸,其真正挑戰在於配電設施、佈線和變電站等。

「從技術角度來看,已經有不少公司拿出了實驗室技術,但如何大規模工業化是個大問題,而按照以往經驗,這個過程至少需要5-8年。」某從業人士談到。

*本文經「雷鋒網」授權轉載,原文:當續航1000KM 成為硬指標,電池技術何去何從

責任編輯:李頤欣

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