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    全球车企巨头纷纷布局动力固态电池

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    •   电动汽车在欧洲的市场份额仍不到10%,仅占全球销量的一小部分,但汽车制造商和供应商已经在投入数十亿美元开发固态电池,这种下一代技术有望拥有更快的充电速度、更好的储能能力和更可靠的安全性。

        汽车制造商们提出了固态电池出现的各种日期。中国电动汽车制造商蔚来可能是最积极的,它宣布将在2022年底提供这项技术。

        丰田和大众都在固态电池上投入了大量资金,这两家公司都表示,到2025年,它们的汽车将搭载这种技术上路。其他公司则着眼于更远的未来,包括Stellantis(2026年)、宝马(2026年)、戴姆勒(2028年)、雷诺-日产(2026年之后)和现代(不早于2030年)。

        固态电池将是降低电池包价格、使电动汽车既赚钱又便宜的关键驱动力。彭博新能源财经(Bloomberg NEF)表示,大规模生产的固态电池成本可以仅为目前锂离子电池的40%。

        但独立专家持谨慎态度,他们指出,仍有许多令人生畏的技术障碍有待清除,包括操作温度高、电解液耐久性和制造方面的挑战。

        LMC automotive的动力总成分析师奥利弗·佩茨尼克(Oliver Petschenyk)表示:“在(汽车)行业,我们还没有看到商业上可行的固态电池。我们对供应商和设计师实际能达到的日期仍持怀疑态度。固态电池可能要到本世纪20年代末才能实现。”

        英国主要的电池研究机构法拉第研究所估计,到2030年,固态电池在所有交通用电池中所占比例将不到5%,随着电池制造商扩大生产规模,到2040年,固态电池将稳步上升至30%。

        法拉第研究所表示,对固态电池的研究是“长期的和高风险的,但也有可能获得高回报。”与目前的液态电解质锂离子电池相比,它的主要好处是单位体积的储能增加了70%。

        法国分析公司Yole Developement的专家表示,固态电池将从2025-2026年左右逐步推出,首次应用于豪华或高档汽车。

        目前的主要挑战是找到合适的电解质材料,这种电解质在电芯的阳极和阴极之间使离子移动。最近,Yole公司的米兰·罗西纳(Milan Rosina)和沙鲁·阿加瓦尔(Shalu Agarwal)发布了一份关于固态技术的综合报告,他们表示,目前所有的解决方案都涉及在离子电导、电池寿命和安全性之间进行不可接受的权衡。

      全球车企巨头纷纷布局动力固态电池

        资料来源:Yole development,2021年固态电池报告▼

        Yole电力电子与电池首席分析师罗西纳表示:“目前,我们还没有一种与大规模生产兼容的材料组合。这就是为什么我们有这么多大公司参与进来,并投资于采用不同技术方法的初创公司。”

        许多竞争者

        考虑到这一点,汽车制造商们正在加紧行动,建立联盟,甚至收购有前景的技术初创公司。

        “在我们看来,最终的目标是固态电池。”大众汽车零部件部门电池和系统主管弗兰克·布鲁姆(Frank Blome)在2021年春季的动力日(Power Day)发布会上表示。“更简单的设计带来更高的性能和更低的成本。”

        大众估计,续航里程将提高30%,主要是由于减重。这家汽车制造商与斯坦福大学的子公司QuantumScape进行了近10年的合作。

        大众目前投资3亿美元,持有三分之一的股份,并在QuantumScape公司董事会占有一席之地。QuantumScape公司最近宣布正在测试一种10层固态电池,可以在15分钟内充满电。

        电动汽车的先驱雷诺也将固态电池视为接下来的一大步。该公司与联盟伙伴日产汽车合作,向美国固态初创企业Ionic Materials投资了6500万美元。

        “最终目标是全固态技术。”雷诺集团高级工程总监索菲·施米德林(Sophie Schmidlin)在7月份的雷诺EWays电动汽车活动上表示:“从性能和成本的角度来看,这似乎是真正的游戏规则改变者,为许多技术突破开辟了道路。”

        丰田9月份表示,他们已经在LQ概念车上对固态电池进行了道路测试▼

        丰田是唯一一家对固态电池公开进行道路测试的汽车制造商,测试在其LQ概念车上进行。专家表示,该公司正与松下合作开发一种基于亚硫酸盐的电解质,这是更有前途的方法之一。

        其他公开宣布的联盟包括宝马和福特与SolidPower,后者计划与SPAC(特殊目的收购公司)合并上市。还有雷诺-日产与Ionic。

        主要的电池厂商都非常小心谨慎。Yole的罗西纳表示,他们已经在传统锂离子电池上投入了大量资金,他们认为风险大、成本高的固态技术既是一种威胁,也是一种商机。

        梅赛德斯-奔驰首席技术官萨吉德·可汗(Sajjid Khan)在7月份举行的戴姆勒电动汽车战略活动上指出,目前梅赛德斯-奔驰EQS的能量密度为550 Wh/L。他说,固态电池“将在相同的封装空间内增加一倍的能量容量,并减轻重量”,同时允许更多的充电循环。

        “有了固态电池,我们有机会从整体上重新考虑电池系统的设计。”可汗补充道。

        戴姆勒目前正在使用法国公司BlueSolutions生产的电池,生产一系列使用固态电池的电动巴士eCitaro G。但是这种电池需要预热,这对于私家车来说是不实际的。

        使用固态电池的奔驰eCitaro巴士已经向德国的几个城市提供▼

        固态电池在充电时间方面也有优势。大众估计,一辆装有77 kWh电池的ID.4电动SUV现在需要25分钟才能增加450公里的续航里程(从10%的电量增加到80%),但固态电池可以将这一时间缩短到12分钟。

        另一个关键的好处是安全。近年来,与火灾有关的电池召回给汽车制造商和供应商造成了数十亿欧元的损失。在最近的案例中,雪佛兰召回了自Bolt EV上市以来生产的所有14.1万辆电动汽车,估计成本为20亿美元。电池供应商LG化学同意向雪佛兰支付19亿美元以弥补成本。

        2020年,福特召回6.9万辆翼虎插电式混合动力车,成本为8亿美元。2021年2月,现代汽车表示将斥资9亿美元更换8.2万辆电动汽车的电池系统。

        固态电池可以减轻这一风险,因为它们不使用易燃电解质,而且固态电解质应该作为一个盾牌,防止树突的生长——树突是一种尖刺状的藻类状锂沉积,可以在阳极上形成,穿过电解质并击穿隔膜,导致短路,进而引发火灾。

        佩茨尼克说:“树突的减少可以使电芯寿命更长,可以承受更大的负荷,同时降低火灾风险,特别是不再需要易燃的液体电解质。”

        Yole的分析师阿加瓦尔和罗西纳说,固态电池树突形成的风险较小,但仍然存在,因为即使是固体电解质也有颗粒或缺陷,不应该允许它们生长。

        最后,专家说,只有将固态电芯组装成电池包并集成到电动汽车中,才会看到一些好处。

        如果固态电池确实更安全,那就意味着电动汽车将需要更少的坚固部件(也更便宜)来确保安全运行。他们也可能需要更少的冷却,罗西纳说,这意味着从电池中提取的电量可更少地用于冷却,而更多地用于续航。

        结构上的差异

        在传统的锂离子电芯中,锂离子在正极和负极之间流动,对电池进行放电和充电。负极被称为阳极,正极被称为阴极,被一个允许离子通过的隔膜分开。在阳极和阴极之间是液体电解质。

        相比之下,锂离子固态电池将隔膜和电解质结合成一个单一的固体物质。因此,电池可以做得更薄,这意味着相同大小的空间可以容纳更多的固态电芯。

        在能量密度方面,固态电池的密度可以达到900至1300 Wh/L,而传统锂离子电池的最高密度可能最高只有1000 Wh/L左右。

        汽车制造商可以利用这一点,在相同的尺寸和重量的情况下增加续航里程,或通过保持重量来减少电池包的尺寸。

        进入大规模生产

        专家表示,尽管固态电池可能用于车队或公共交通(需要预热的电池可能是一个技术死胡同),但固态电池很可能首先出现在高档汽车上,或作为较便宜车型的高性能选项。

        阿加瓦尔和罗西纳表示,这是因为制造一个能够满足特斯拉或大众汽车等大众市场需求的超级工厂是不可行的,这两家公司每年将生产数十万辆电动汽车。

        到2025年及其后几年,初始需求可能只有每年2至3 GWh,这意味着在传统锂离子电池价格下降之际,固态电池的成本会更高。

        专家表示,随着固态电池生产规模的扩大,价格将会下降,但未来将面临一系列不同寻常的挑战。

        丰田、三星等公司正在研究的亚硫酸盐电解液会产生有毒的亚硫酸氢(H2S气体)。一般来说,电池必须在真空中组装,这对于大规模生产是不可接受的。而薄的固体电解质非常脆弱。

        罗西纳表示,与从内燃汽车向电动汽车的转变类似,向固态电池的转变将需要一系列新的能力、潜在的裁员、工厂设备的重大变化和新的材料供应链。

        他说,“固定成本将不利于固态电池的商业化状态。”来源:汽车商业评论杂志

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