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寻找下一个宁德时代 电池材料革命五大突破口

2022-01-11   来源:汽车商业评论   作者:涂彦平

钠离子电池、无钴电池、硅负极电池、混合锂金属电池、半固态电池

1799年,意大利物理学家伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里,发现连接两块金属的导线中有电流通过,于是他把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的纸板,用导线把两端连接起来。世界上第一个电池——伏特电堆,就这样诞生了。

电池

两百多年过去,电池已经成为人类日常生活离不开的东西,而今天的电池也远非当初的模样。

今天常见的锂离子电池诞生于20世纪60年代,1991年开始由日本索尼公司实现商业化,随后逐步应用到手机、电脑、汽车上。

在电动汽车取代燃油汽车的历史进程中,锂离子电池扮演着重要角色。2021年中国新能源汽车市场出现爆发式增长,离不开电池技术持续迭代的功劳。

在确保安全性的前提下提高能量密度,一直是动力电池技术发展的核心。围绕该核心,动力电池研发人员一直在进行电化学材料体系的创新研究。

锂离子电池的电芯包括正负极、电解质、隔膜等,从电芯层面提高电池能量密度,就要从这些组成部分入手。

从NCM111到NCM523,再从NCM622到NCM811,三元正极材料一直在向高镍化方向发展,同时,低钴乃至无钴逐渐成为主流。

在负极材料方面,目前除了石墨,硅基负极材料、锂金属负极材料的研发及应用也迎来新突破。

在电解质材料方面,其形态正由电解液向凝胶电解质(半固态)、准固态电解质、全固态电解质发展。

因此,锂离子电池能量密度提升的路径很清晰,就是正极材料+负极材料+电解质三管齐下。

蔚来150kWh电池包

2021年年初蔚来发布的150kWh电池包,恰好契合这条技术升级路线。该电池包在正极、负极、电解质等层面均有创新,分别应用了超高镍正极材料、高性能硅碳复合负极材料及固液电解质,大幅提升车型里程。搭载该电池包的蔚来ET7续航里程将超过1000km。

锂离子电池在动力电池领域占据主导地位,但随着电动汽车规模的快速增长,有限的锂资源迟早会让全行业面临危机。这才让钠离子电池有了可乘之机。更丰富的储量、更好的低温性能,钠离子电池或许并不能取代锂离子电池,但它已经登上汽车电动化的舞台。

钠离子之后,还有更多的“×离子电池”在蠢蠢欲动。

放眼全球,印度电池研发公司Saturnose在2021年宣布了一个惊人的消息,其增强蚀变铝离子电池计划在2022年实现商业化,而且要取代锂离子电池。据称,这种铝离子电池能量密度有望超过600Wh/kg,且比锂离子电池技术便宜50%。

华裔美国科学院院士、斯坦福大学化学系教授戴宏杰的课题组发表在《自然》杂志上的一项研究成果——可充电钠/氯气和锂/氯气电池

2021年8月,华裔美国科学院院士、斯坦福大学化学系教授戴宏杰的课题组发表在《自然》杂志上的一项研究成果——可充电钠/氯气和锂/氯气电池,解决了一类电池半个世纪以来无法二次充电的问题。这种电池系统以具有高度微孔的碳材料为正极,以金属钠或锂为负极,以氯气为氧化剂,以亚硫酰氯为电解液,可存储的电量是常见可充电锂离子电池的 6 倍。

与此同时,锂离子电池铌技术、镁电池、锌电池、钠硫电池等新型电池技术的研发数据也在实验室里不断刷新。

自电池发明的那天起,人类就没有停止对电池技术的改进。当电池遇上汽车产业的百年巨变,它迎来了一个前所未有的大市场,各种动力电池技术百花齐放。

回顾2021年,动力电池领域热闹非凡:钠离子电池横空出世,无钴电池量产装车,硅负极电池产业化落地,金属锂电池产品出炉,半固态电池也开始了产业化试水。

这五大电池技术都是从材料层面进行的创新。从实验室到产业化,它们演绎着电化学的魅力,在被你看见之前,每一项电池技术无不经历了艰难的锤炼过程。谁说电池技术停滞不前?科学家可不答应。

1、钠离子电池

在20世纪70年代,人们就开始了对钠离子电池的研发。目前,全世界有20多家企业从事钠离子电池产业化方面的开发。

因为宁德时代的入局,钠离子电池成为过去一年电池行业的大热点,走进大众视野。

宁德时代发布钠离子电池

2021年7月29日,宁德时代发布钠离子电池,其正极材料采用了克容量较高的普鲁士白材料,负极材料使用了具有独特孔隙结构的硬碳材料。

基于材料体系的突破,宁德时代第一代钠离子电池电芯单体能量密度达160Wh/kg,略低于磷酸铁锂电池,但在低温和快充方面有明显优势,在零下20°C低温的环境下,仍然有90%以上的放电保持率。未来,宁德时代第二代钠离子电池能量密度将提升至200Wh/kg。

在制造工艺方面,钠离子电池可以实现与锂离子电池生产设备、工艺的完美兼容,产线可进行快速切换,完成产能快速布局。目前宁德时代已启动钠离子电池产业化布局,到2023年将形成基本产业链。

除了宁德时代,依托中科院物理所钠离子电池技术的中科海钠也正在推动钠离子电池的产业化。

2021年12月18日,中科海钠与三峡能源、三峡资本及安徽省阜阳市人民政府达成合作,将共同建设全球首条钠离子电池规模化量产线。该产线规划产能5GWh,分两期建设,一期1GWh将于2022年正式投产。

总的来说,目前钠离子电池尚处于产业化初期。而长远来看,它将成为锂离子电池的有益补充。

2、无钴电池

钴全球探明的储量仅有710万吨左右,有机构预测在2026年后钴资源就将供应不足。为了降低对钴金属的依赖,少钴乃至无钴已经是不少电池企业都在进行的一个研发方向。

2021年8月29日,蜂巢能源宣布其无钴电池包系统正式搭载长城欧拉纯电SUV车型樱桃猫,实现量产装车。

从最为基础的材料环节出发,蜂巢能源通过阳离子掺杂技术、单晶技术和纳米网络化包覆,显著改善无钴层状材料的镍锂离子混排问题以及循环寿命的问题,使无钴材料跨过关键障碍,走向规模化应用阶段。

樱桃猫搭载的无钴电池包系统总电量82.5kWh,系统能源密度达170Wh/kg,支持常温工况续航里程超600km。

蜂巢能源

目前,蜂巢能源无钴电池共规划了四款量产产品,分别是无钴H 系列115Ah电芯、155Ah电芯,H Plus系列157Ah电芯以及无钴E系列115Ah电芯。其中无钴H系列电芯能量密度为240Wh/kg。

2021年12月16日,蜂巢能源的无钴电池量产线在马鞍山生产基地投用。五年深耕无钴电池,蜂巢能源成为全球第一家真正实现无钴电池产业化的电池企业。

除了蜂巢能源,松下、LG、宁德时代等动力电池企业也都在努力降低钴的使用率。根据宁德时代的电池技术路线规划,预计到2024年左右会推出无钴电池。

3、硅负极电池

从20世纪90年代起,将硅材料应用于锂电池负极的研发就出现了。直到2014年左右,硅碳负极、硅氧负极的产业化才得以实现。

为什么要用硅作负极材料?这是因为硅材料的理论克容量高达4200mAh/g,远高于石墨材料的372mAh/g。但硅负极材料的缺点也很明显,那就是其体积膨胀率达320%,远高于现有的石墨材料10%左右的膨胀率,这就意味着其使用寿命偏低。

因此,在实际应用中,硅负极材料一般是石墨和硅的混合体。比如,2017年,松下将硅基负极应用于特斯拉Model 3的电池中,就是通过在传统石墨负极材料中加入5%-10%的硅,使电池容量增加到550mAh/g以上,单体能量密度达300Wh/kg。

宁德时代、力神电池、国轩高科、比亚迪、比克动力、微宏动力等都在加快硅碳负极体系的研发和生产。

2021年1月8日,国轩高科发布能量密度为210Wh/kg的软包磷酸铁锂电芯,在磷酸铁锂化学体系中首次成功地应用了硅负极材料。

2021年1月9日,蔚来于NIO Day上宣布2022年将交付150kWh电池包,该电池包单体能量密度可达350Wh/kg,也使用了预锂化硅碳负极。

2022年1月5日,广汽埃安AION LX Plus上市,其千里版续航达到1008km,电池包容量144.4kWh,能量密度达到205Wh/kg。该电池包应用了广汽集团自研的海绵硅负极片电池技术。

海绵硅负极片电池技术

海绵硅负极片电池技术的原理就是:让电池内部的硅负极片变得像海绵一样柔软有弹性,使硅在充放电过程中的膨胀收缩被限制和缓冲,不会碎裂;让硅负极发挥出大容量的优势,像海绵吸水一样储存更多的能量。

海绵硅负极片电池技术由涉及正负极材料、粘结剂、电芯设计、工艺制造等一系列技术群组成,通过这些技术,动力电池单体电芯在同等电量的情况下,体积能够减小20%,重量能够减轻14%,电池电芯能量密度可达到280Wh/kg。

广汽埃安正计划投资3.36亿元建设自研电池电芯试制线,海绵硅负极片电池技术有望走向规模化量产。

此外,智己汽车首款纯电智能轿车智己L7搭载的动力电池,是由智己汽车与宁德时代采用“掺硅补锂”技术合作研发而成的,其电芯最高能量密度可达300Wh/kg,可将车辆NEDC续航提升到1000km。

4、混合锂金属电池

在负极材料上进行创新的,还有混合锂金属电池。

2021年11月4日,锂金属电池制造商SES麻省固能(SolidEnergy Systems)宣布,公司已经开发出一款107Ah混合锂金属电池,重量为0.982 kg,能量密度为417Wh/kg、935Wh/L。

锂金属电池制造商SES麻省固能(SolidEnergy Systems)宣布,公司已经开发出一款107Ah混合锂金属电池

SES混合态锂金属电池沿用锂离子电池的正极材料,但负极材料是锂金属,电解液则是高浓度锂盐电解液。SES创始人兼CEO胡启朝表示,这样的材料改良可以解决锂枝晶难题,“每次充电枝晶仍然形成,但是之前是非常尖的形状,容易穿破隔膜导致短路,现在是非常平非常密的形状,不会刺破隔膜。”

从制造工艺的角度来看,SES所生产的混合态锂金属电池,约有60%的制造环节与传统液态锂电池完全相同,区别主要在于负极和电解液部分。

SES成立于2012年,公司早期阶段曾研发全固态锂电池,但进展并不顺利,后决定转换技术路线至混合锂金属电池。

SES已经与通用汽车和现代汽车展开合作,计划2022年推出车用级锂金属电池A样品,并在2025年正式开启锂金属电池的商业化量产。

目前,SES正在上海嘉定国际汽车城建设动力电池超级工厂,总面积达30000平方米,计划于2023年竣工,建成后的产能将达到1GWh。

5、半固态电池

与液态锂离子电池相比,固态电池用固态电解质代替液态电解质和隔膜,在能量密度和安全性方面均有提升。

不过,固态锂电池的技术路线并不是一步到位的,而是从半固态到准固态再到全固态,这三个阶段液体电解质质量百分比分别为<10%、<5%、0。目前,介于液态锂电池与全固态锂电池之间的固液混合电池,即半固态锂电池,已经开始产业化试水。

首批搭载赣锋锂电混合固液锂离子电池的东风E70电动汽车在江西新余试车

2021年12月10日,首批搭载赣锋锂电混合固液锂离子电池的东风E70电动汽车在江西新余试车成功。这是半固态电池在国内纯电动汽车中首次实现装车。

东风E70搭载的是赣锋锂电第一代固态电池,该款混合固液锂离子电池采用氧化物电解质和柔性固态隔膜,模组采用铝合金框架+上下高精度拼缝激光焊接技术,整体成组率为86%以上,能量密度在260Wh/kg左右。

国轩高科为国内高端纯电动汽车配套半固态电池实现了续航里程超1000km。目前其半固态电池在性能方面能够做到610Wh/L、300Wh/kg、循环1000次的程度。

蜂巢能源在半固态电池技术研发方面也有了突破,基于凝胶电解液研发了果冻电池。它具有高电导、自愈合、阻燃等特点,能在几乎不降低电性能的同时阻止热扩散,耐热温度提高到150°C。

孚能科技的半固态电池在2021年已经进入量产阶段,预计2023-2025年导入第二代,2027年左右导入第三代。

卫蓝新能源针对车用领域推出的固液混合电池,能量密度已达到270Wh/kg,预计2022年下半年可以为客户提供批量验证。

目前,业内的普遍共识是,固态电池在电动汽车上的应用要在2030年以后,而在此之前,半固态电池会快速发展并成为主流。


关键词:电池材料革命,钠离子电池宁德时代,蔚来电池包

汽车产业布局图


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