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神奇电池在哪里? 全世界最聪明的大脑正在和电池死磕

2021-12-22 08:53:43

  在全世界最厚实的钱包支持下,一群全世界最聪明的大脑正在和电池死磕。

  哪怕再笃定的电动车拥趸,也不可能说眼下市面上已有的电池技术,就足以支持纯电动车的全面普及——谁不承认谁就是不客观。真·续航1000km?10分钟充满?低温不衰减?超长循环寿命?成本低一半?我们什么都想要,我们什么都需要。

  锂电池在原理上并非新事物,第一款商用锂离子电池早在1991年就诞生了;但先进车用动力电池又仍有发展空间,实用化的纯电动车出现也不过是七八年前的事。所以这几年随着资本蜂拥而至,电池圈转瞬之间多了一个又一个新名词儿……

最终幻想:固态电池

  要说未来电池,固态一定是怎么都绕不开的。这些年,电动车销量猛增,我们会想固态来了会更棒;电动车续航尴尬,我们也会说固态来了就好了。再加上丰田不信任现有锂电池、押宝固态电池的策略备受议论,更让固态电池成为坊间热词。

  固态电池到底“固”了啥?现在的电池不是固态是啥态?为什么这个固态就会让电池更好?又为什么咱至今用不上固态的好?

  所谓固态电池,说的是电解质为固态而非液态。目前市面上的所有车用锂电池,虽然外面看仿佛是个实心铁盒子,内部其实无一例外都是电解液——只是液体被各种结构设计“固定”得比较好,不会像矿泉水那样随便晃荡。

  如果你的初中物理还没有还给体育老师,应该至少还记得:电池是由正极、负极、电解液组成。

  电池外面,负极失去电子沿着导线流向正极,因为电子带负电,所以电流是从正极流向负极;电池内部,负极上失去了电子的阳离子在电解液中流向正极,正极得到电子的阴离子则流向负极。我们用电时用到的只是电池外面那部分,电流流过导线和用电器,发光发热出功出力。

  说白了就是一大型电子离子分头跑路现场,外面是电子跑掉一个,里面就是锂离子跑掉一个。那么内部离子如果流动不够“通畅”,外面电流也就不可能“通畅”,表现为充放电性能不佳。很显然,液体是最方便离子在里面游来游去的,就算你不懂化学,也应该见过化学老师比划各种溶液。

  将电解质换为固态,也很显然的,离子在其间流动会更加困难:原先是从液态这头到液体那头,现在需要穿越一片固体物质。这也是目前固态电池遇到的最大难点,大电流充、放电能力不足,而高功率放电、高功率充电又是未来电动车不可或缺的。

神奇电池在哪里? 全世界最聪明的大脑正在和电池死磕

  但诱惑也同样来自固态电解质。

  传统锂电池的电解液占据了相当一部分重量,而固态电解质可以更薄更轻,从而提高电池的能量密度。含锂化合物的电解液本来就易燃,液体可能泄露进一步增加了风险,需要对内隔开正负极、对外以外壳保护,也是增加重量和体积。液态电解质中,难以使用锂金属电极来提高能量密度。

  也就是说电解质从液态变为固态,电池的能量密度和安全性都会有显著提高可能。但眼下,在快充快放、循环寿命、制备成本等方面,固态电池还存在着尚未彻底解决的不足。早期产品进入市场也许就在这几年,然而可以大规模商用化的成熟固态电池,几乎必定要等到2025年甚至更远。

最左最左

  蔚来ET7的所谓固态电池,其实人家自己宣传中就已经标明了“原位固化固液混合电解质”。所谓原位固化,说白了就是这个电解质一开始并不是固态的,在涂覆到电极上之后经过某些措施或反应(具体未知),电解液在原位形成了一部分固态物质。因为这个过程结束后还残留有部分液态,所以叫做固液电解质。

  所以这个半固态电池的能量密度,蔚来给出的数字是360Wh/kg(单体/电芯能量密度)。这相对于目前的常规非固态电池当然高出一截(目前最高大概在300Wh/kg),但是又并不像我们对于固态电池的幻想那么遥不可及,尤其是考虑到其正负极材料也采用了更前沿技术。

  固了吗?固了,但没全固。好的方面是,用户确实能尽早享受到目前第一流的电池能量密度;遗憾之处主要是在行业技术角度,它无法充分说明蔚来掌握了足够的未来全固态电池技术。当然,第二点并不十分充分,同时也不应该掩盖第一点。

重塑过去:锂金属负极

  固态电池的优点之一,是更可能采用锂金属电极。而就在上个月,一直以来钻研锂金属电池的初创公司SES,在其首届SES Battery World活动上发布了名为Apollo的锂金属电池,单体能量密度达到了惊人的417Wh/kg,而这还只是锂金属电池的第一代成品。

神奇电池在哪里? 全世界最聪明的大脑正在和电池死磕

  所谓锂金属电池,锂金属指的是负极材料,而目前常用的负极材料是石墨,主流的发展趋势是掺入硅,即硅碳负极(蔚来固态也在用)。负极材料对外提供电子(放电),对内在电解质中脱出锂离子,所以负极能“存储”多少锂离子,会决定电池能量密度的上限。

  硅的这个“存储”能力,要比碳高出十倍有余,自然成为了更好的选择。但直接用硅负极又不可行,因为硅负极充放电时体积变化太大,膨胀率可达300%,而石墨仅为10%。所以眼下趋势是在石墨负极中尽可能加入硅——也就是智己L7所谓“掺硅补锂”中的掺硅。

  既然负极的作用是提供锂离子,为何非要另辟蹊径去找“存储”锂离子的碳和硅,而不直接使用“自带”锂离子的锂金属呢?相比碳和硅,锂金属负极只需要薄薄的一片,大幅降低了负极的重量和体积,这是锂金属电池高能量密度的重要来源。

  其实广义下的锂金属电池早有,但过去的锂金属电池压根就不是充电电池,只能一次性使用。这是因为锂金属做负极虽好,但充电时锂离子需要回到负极,传统的液态电解质中,锂离子会回到负极在表面析出锂金属,这种析出经过时间推移会生长出所谓枝晶。

  日积月累,枝晶生长到一定程度就可能刺破正负极间的隔膜,也可能刺破电池外壳造成危险的电解液泄露,还可能直接生长接触到正极材料引发短路。所以以往,如果以锂金属作为负极,一定是一次性或短寿命电池,用完拉倒才能不管枝晶问题。

  今天重新现身江湖的锂金属电池,能够跻身车用动力电池的原因,也是由于固态电解质技术的兴起和日渐成熟。析出锂在电解液中“野蛮生长”成为恼人的枝晶,那么如果电解质是固态,不就可以阻挡锐利的枝晶吗?

  SES的锂金属电池就采用了部分固态的混合电解质,而固态电池的优势之一也包括了更便于启用锂金属负极。二者可以说是彼此促进甚至共进退的关系,固态电解质让锂金属负极可用,锂金属负极又让固态电解质更有优势。

  锂金属负极技术也还处在较早期阶段,电解质固态化对于枝晶问题的解决程度,也尚需时间和经验去验证。目前的预计大规模量产时间,也要到2025年之后。比较看好锂金属电池的车企,主要是参与了SES几轮融资的通用和现代。

持续演进:高镍无钴

  相对于电解质和负极,正极的“进阶玩法”稍单调一些。对于三元锂正极材料,主旋律就是提高镍含量、降低乃至去掉钴。这一趋势从NCM(镍:钴:锰)523到622再到811就一直在持续:镍的比例提高到80%,而钴含量被一减再减。

  镍是提高能量密度的直接因素,含量高低决定着正极的可逆嵌锂容量。但镍的比例当然不是说提高就提高,过多的镍会导致正极出现阳离子混排,镍离子和锂离子彼此占据对方位置,降低电池的循环性能和寿命;高镍会加剧电池高温下的自加热现象,并导致电池内部温度和压力更易上升,使得安全性受到影响。

  而钴起到的作用,正是帮助电池提高循环寿命。当锂离子可逆地进、出正极材料,即充放电时,钴可以帮助正极中的层状分子结构保持稳定;但同时,钴含量越高则正极的可逆嵌锂容量越低,表现为能量密度下降。

  由于钴是一种有毒金属,在开采过程中伴随着大量的不人道,一直以来都被世界各地环保和人权组织所抗议。同时,钴的价格也因开采困难而非常昂贵。所以无论从道义上还是成本上,电池厂商都有足够的动力降低钴用量。

  特斯拉经过多年的技术迭代,目前其三元锂电池中的钴已经降至3%,下一步还要降低至1%直至最终实现无钴。要做到低钴无钴,就必须找到其他方法,取代钴元素在正极材料分子层状结构中的稳定作用。

  在国内,脱胎于长城旗下的蜂巢能源今年第一个做到了量产无钴,其目前的NMx电池去除了钴元素,单体能量密度仍保持在240Wh/kg的较高水平。无钴化的常见做法是掺杂阳离子、纳米网络包覆等方法,改良分子层状结构,以替代钴元素起到稳定作用。一直在说的蔚来半固态电池,也提到了纳米级包覆超高镍正极(低钴)。

  正极、负极、电解质,还只是电芯层面的车用电池技术,在电芯以外,整包技术也是提高电池整体性能的关键。

  像特斯拉正在做的,以更大的4680规格替代2170规格电芯、以CTC方式减少结构冗余并同时实现无模组CTP,都是在整包层面做的优化。可见即便不寻求激进的电芯技术效果,整包层面也依然有足够多的挖掘空间。但同时,整包优化又离不开电芯层面的进步,如果不是对电芯稳定性足够有信心,像CTP和CTC也无从谈起。

  如果你对电池技术的进步速度足够有信心,也许可以开始期(zuò)待(mèng)一辆采用固态电解质、锂金属负极、高镍正极、CTC电池包的纯电动车了。

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