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大眾們?yōu)楹委偪褡非蠊虘B(tài)電池技術(shù)？
2020-07-06 12:00:47· 來源：Astroys
上個(gè)月大眾向固態(tài)電池初創(chuàng)公司QuantumScape投資2億美元，這個(gè)金額很令人乍舌，幾乎相當(dāng)于對(duì)于一家企業(yè)的收購金額。QuantumScape源于斯坦福大學(xué)的研究項(xiàng)目組，201
上個(gè)月大眾向固態(tài)電池初創(chuàng)公司QuantumScape投資2億美元，這個(gè)金額很令人乍舌，幾乎相當(dāng)于對(duì)于一家企業(yè)的收購金額。QuantumScape源于斯坦福大學(xué)的研究項(xiàng)目組，2012年獨(dú)立成為公司。大眾在2018年就投了100萬美元，但此次追加至2億美元，可見固態(tài)電池技術(shù)對(duì)于大眾的戰(zhàn)略重要性。
在目前階段，固態(tài)電池的開發(fā)還要解決一系列的課題。首先就是要開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)，另外正負(fù)極材料、電芯極板的制造等都需要改進(jìn)。最后，固態(tài)電池如果可以真正投入量產(chǎn)也會(huì)對(duì)整個(gè)電動(dòng)車行業(yè)帶來重要的影響。
固態(tài)電解質(zhì)
目前固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)主要分為三種技術(shù)路線，硫化物系、氧化物系、聚合物系。目前普遍認(rèn)為硫化物系最具優(yōu)勢(shì)，但這也不是最終確定的。固態(tài)電解質(zhì)需要滿足五種條件，比液態(tài)電解質(zhì)更高的離子傳導(dǎo)性、正負(fù)極的化學(xué)互換性、更寬的電化學(xué)窗口、幾乎可忽略不計(jì)的電子傳導(dǎo)性，以及更高的能量密度。能開發(fā)出滿足這些特性的固態(tài)電解質(zhì)是最重要的，為此目前業(yè)界正在進(jìn)行著許多嘗試。
從硫化物系來看，目前有著對(duì)于各種電解質(zhì)的研究，這部分是非常專業(yè)的部分，就不詳細(xì)說明了。在現(xiàn)有的鋰電池結(jié)構(gòu)中，必須加入各種電解質(zhì)持續(xù)進(jìn)行測(cè)試。氧化物系與聚合物系目前也有多個(gè)測(cè)試對(duì)象，而且這些測(cè)試對(duì)象還在持續(xù)增加。而這些物質(zhì)全部都需要經(jīng)過測(cè)試，并制造出測(cè)試用的電池，需要持續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證。這些工作本身就需要許多實(shí)驗(yàn)工具、人力、設(shè)備等的投入，最終其實(shí)就是資本的比拼。
因此，大眾投資QuantumScape本質(zhì)上就是在支付一筆測(cè)試成本。經(jīng)過充分的測(cè)試，最終可以開發(fā)出適用的固態(tài)電解質(zhì)的概率會(huì)增加。不管怎樣，最終都必須需要達(dá)到與目前液態(tài)電解質(zhì)趨同的性能，才有可能轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。
這張圖片是目前液態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)。一般我們看到類似的結(jié)構(gòu)圖時(shí)，經(jīng)常會(huì)誤以為液態(tài)電解質(zhì)的形態(tài)幾乎是流動(dòng)的液體。
我們拿圓柱形電池觀察一下，實(shí)際電池內(nèi)部的正負(fù)極是非常緊密地貼合在一起的。所以電解質(zhì)不是充分地以液體的形式浸透，而是滲入在極板之間的。甚至從截面來看，這個(gè)電解質(zhì)甚至看起來并不像是液體。
這是在聚合物電池上注入電解質(zhì)工序的圖片。電解質(zhì)需要經(jīng)過一段時(shí)間緩慢地滲入到極板之間，或者是采用真空的方式等。因此注入電解質(zhì)也是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。
我們來看這張圖片，極板之間有藍(lán)色代表的電解質(zhì)，但左上看還有很多是白色區(qū)域，就是還沒有充分的浸透的部分。但我們從左下、右下如果放大看，就可以明顯看出濕與干的區(qū)別。未充分浸透的部分就不能達(dá)到規(guī)定的容量，因此這種產(chǎn)品在最終檢測(cè)中就會(huì)視為是不良品。所以，像這樣讓固態(tài)電解質(zhì)浸透的技術(shù)就是固態(tài)電解質(zhì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
最終走向全固態(tài)電池需要經(jīng)歷不同階段。左起是現(xiàn)有的液態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)。中間階段就是鋰金屬負(fù)極，并將固態(tài)電解質(zhì)與正極分離，這樣雖然會(huì)提高安全性，但卻很難浸透電解質(zhì)（low wetting ability），因此就會(huì)影響到能量密度。最終就是要通過改善工藝，讓電解質(zhì)可以均勻地分布在正極上，這樣才算是固態(tài)電池的最終完成，與液態(tài)相比，安全性和性能都會(huì)提高。
正負(fù)極材料的改善
這里面有個(gè)問題就是，當(dāng)固態(tài)電解質(zhì)與正極混合在一起時(shí)，與液態(tài)相比是否可以讓鋰離子更加順暢地移動(dòng)。因此就需要改善原有的石墨負(fù)極。在容量增大的情況下，如果仍采用石墨負(fù)極，厚度就會(huì)增加，因此只有降低負(fù)極的厚度才能夠提高能量密度。為了解決這個(gè)問題，目前主流的研究就是采用鋰金屬負(fù)極，三星在前段時(shí)間發(fā)表的論文中說到采用銀-碳納米粒子復(fù)合層（參考：三星在<自然>發(fā)布的全固態(tài)電池技術(shù)）。所以，固態(tài)電池除了固態(tài)電解質(zhì)的部分外，負(fù)極也需要改善為鋰金屬負(fù)極或是某種復(fù)合層材料。
我們?cè)倭私庀掠嘘P(guān)改善離子移動(dòng)的內(nèi)容。如圖紅色代表正極，黃色為全固態(tài)粒子。我們會(huì)看到粒子之間的接觸面不是特別多，所以會(huì)添加幫助離子傳導(dǎo)更加順暢的的物質(zhì)（黑色）。
正極部分也是需要改善的，正極材料可能會(huì)在現(xiàn)有的NCM或NCA材料上增加涂層有助于離子移動(dòng)的材料（綠色），或者需要硫鋰等新的正極材料。這部分的開發(fā)也需要經(jīng)過上面提到過的固態(tài)電解質(zhì)一樣，需要投入大量的測(cè)試的人力和設(shè)備。液態(tài)電解質(zhì)電池的極板需要經(jīng)過焊接工序，但固態(tài)電池卻無法采用焊接工藝。而且正負(fù)極之間的界限較模糊，這部分就需要新的工序。
如圖所示，可能會(huì)將正負(fù)極材料、電解質(zhì)以粉末狀態(tài)加入，然后采用高溫加壓的方式。采用這種方式可能會(huì)存在固態(tài)電解質(zhì)在極板內(nèi)無法均勻分布的問題。所以在制造了負(fù)極和電解質(zhì)后，再經(jīng)過層壓，然后將正極材料噴灑在上面使其得以均勻分布；或者采用涂層的方式，以非常薄的厚度將正極、電解質(zhì)、負(fù)極這樣堆疊。越接近左邊，所需的工藝就越難。所以這部分也要看究竟制造工藝可以達(dá)到什么精度，制造成本當(dāng)然也會(huì)隨之增加。如果采用類似半導(dǎo)體的沉積法工藝或許是可行的，但那就會(huì)大幅增加制造成本了，也會(huì)成為批量生產(chǎn)的攔阻。因此，制造工藝及設(shè)備的選擇也是一個(gè)很重要的因素。
固態(tài)電池是下一波浪潮的關(guān)鍵
此外，在最終“上車”之前，還要考慮電芯成組、電池包的問題。固態(tài)電池的電池包結(jié)構(gòu)可能會(huì)更加簡(jiǎn)單一些。因?yàn)楣虘B(tài)電池的特性本身就是體積小、安全性高。與現(xiàn)有的三元鋰電池相比，電池包的制造成本將會(huì)更低。目前，在電動(dòng)車中電芯所占的成本比重約為30%，那么到了固態(tài)電池時(shí)代這個(gè)比重可能會(huì)更高。因此誰掌握了固態(tài)電池技術(shù)那么就真的會(huì)在電動(dòng)車市場(chǎng)有更大的話語權(quán)，所以我們也就能理解像大眾這樣的公司會(huì)斥巨資提前布局在固態(tài)電池上。
那么到底誰會(huì)率先進(jìn)入固態(tài)電池的量產(chǎn)呢？最近豐田和松下成立了電池合資公司。從松下的立場(chǎng)來看，他們雖仍舊與特斯拉在Nevada保持著穩(wěn)定的關(guān)系，但其實(shí)本質(zhì)上并沒有進(jìn)一步擴(kuò)大業(yè)務(wù)范圍。松下轉(zhuǎn)去與豐田合作，這在之前也提到過，或許是現(xiàn)有的電池技術(shù)很難再進(jìn)一步降低成本，讓松下確保營業(yè)利潤（參考：特斯拉與松下的圓柱形電池未來會(huì)如何？）。最近LG化學(xué)也曾公開表示，和特斯拉的交易并沒能達(dá)到理想的利潤。因此，我們保守預(yù)測(cè)一下，松下與豐田是否會(huì)聯(lián)手率先將固態(tài)電池推向量產(chǎn)呢？
目前超小型的固態(tài)電池已經(jīng)開始進(jìn)入商用了。村田推出了采用氧化物陶瓷電解質(zhì)的1cm大小的固態(tài)電池。但目前只能用在特殊領(lǐng)域，首先可能進(jìn)入手機(jī)市場(chǎng)。因此三星電子正在開發(fā)的全固態(tài)電池就非常有意義，因?yàn)槿强赡苁紫韧瞥龃钶d了固態(tài)電池的手機(jī)。
另外還有中國也是一個(gè)很有希望的市場(chǎng)，清陶等企業(yè)都在開發(fā)固態(tài)電池。此外，這次大眾投資QuantumScape可能會(huì)成為整個(gè)固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展的催化劑。
目前動(dòng)力電池市場(chǎng)的方向是NCM712、NCM811、NCMA，也是特斯拉、寧德、LG化學(xué)等在主導(dǎo)的市場(chǎng)。因此，像三星SDI和大眾等沒有在這次競(jìng)爭(zhēng)中卡位成功的公司，很可能打算彎道超車直接在固態(tài)電池上發(fā)力。在未來的2-3年間，如果特斯拉們通過持續(xù)不斷地降低成本來確保利潤時(shí)，其他沒趕上這波的企業(yè)們?cè)侔盐詹蛔∠乱徊ǖ墓虘B(tài)電池，很可能就徹底失去在電動(dòng)車市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力了。因此，固態(tài)電池技術(shù)真是變得越來越重要。
目前在動(dòng)力電池領(lǐng)域，其實(shí)利用現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)完全可以確保足夠的續(xù)航了。現(xiàn)階段各家主要是為了確保營業(yè)利潤，正在展開激烈的成本競(jìng)爭(zhēng)。最具代表性的就是寧德和比亞迪開始在LFP上尋求突破，LG化學(xué)也率先采用了NCM712，他們也是在產(chǎn)能擴(kuò)張上最積極的公司，因?yàn)橹挥型豢罴夹g(shù)可能至少要經(jīng)過2-3年才能把成本降到足夠低，確保利潤空間。相反，三星SDI、大眾、松下、豐田等公司態(tài)度可能略為不同，他們或許認(rèn)為目前繼續(xù)在現(xiàn)有技術(shù)上增加投資，會(huì)很難確保足夠的利潤，認(rèn)為存在著一定風(fēng)險(xiǎn)。所以說，他們采取了想要通過固態(tài)電池技術(shù)，重新奪回主導(dǎo)權(quán)的戰(zhàn)略。
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