
對于電動汽車動力電池來說,目前一大難題浮出水面:鋰離子電池能量密度極限為300 Wh/kg左右,難達到國家未來幾年要求。綜合現有情況看,以固態鋰電池為主的固態電池最有可能上位。
另據臺灣輝能科技股份有限公司(PLG)網站近日消息,該公司與威馬汽車簽署合作備忘錄,雙方將共同生產全球首款采用鋰陶瓷固態電池(LithiumCeramic Battery;LCB)的新能源車,預計在2018年4月北京車展亮相,雙方還將于2018年興建5GWh產能量產線,預計2019年完工投入生產。此外,多家電動車企已與輝能科技接觸。
據工信部要求,2020年、2025年、2030年動力電池電芯(即單體)能量密度的要求分別為350Wh/Kg、400Wh/Kg、500Wh/Kg。工信部今年3月更提出加強新體系動力電池研究,積極推動鋰硫電池、金屬空氣電池、固態電池等新體系電池的研究和工程化開發,2020年單體電池能量密度達到400Wh/Kg以上、2025年達到500Wh/Kg。
如果前述事項如期成行,意味著固態電池實用取得重大突破,也比叫板特斯拉的豐田汽車所預計2022年上市其首款固態電池電動車更早,提前帶來動力電池變局。目前A股上市公司中,已在研發和籌備量產固態電池的代表性公司有正泰電器和珈偉股份等。
首款鋰陶瓷固態電池車臨產
輝能科技2010年即研發出固態電池,并應用于電動汽車之外的領域。輝能介紹,該公司是目前全球唯一可量產的固態電池廠。據輝能科技網站信息,其固態鋰陶瓷電池使用的是固態鋰陶瓷電解質(Lithium-Ceramic electrolyte)。
威馬汽車官方微信稱,2018年上半年首批量產車將在其溫州新能源汽車智能產業園小規模下線。首款量產車為純電動智能化SUV車型,整車最大續航里程達600公里,綜合工況下續航里程超過450公里,威馬目前沒有就輝能方的說法發聲。不過威馬曾表示,該款車最快北京車展上就可以接受預定。威馬此前還發布了另一款純電動新概念車“AG2020”,該款車30分鐘充滿電,續航里程高達1200km,預計2020年量產。
固態電池是指電解質由液體改為固體的電池。其中,電解質分為無機固體電解質和有機聚合物電解質,聚合物指高分子化合物,陶瓷電解質屬于無機電解質。部分鋰陶瓷電解質中含有鋰元素。據鄭洪河等人于2007年發表的論文中稱,鋰陶瓷離子電導率高,安全,耐高溫,鋰無機固體電解質在高比能量的大型動力鋰離子電池中有很好的應用前景。不過包括鋰陶瓷在內的固態電池也存在一些問題需要克服。
輝能稱,固態電池先天上最大的困難在于充放電能力不高和內阻值高。但是其LCB 固態鋰陶瓷電池克服了這些困難,成為世界上所有固態電池技術中充放電能力最高、且內阻值最低的鋰電池,其LCB是全球第一個可以打破天然內阻限制,讓電性表現最接近液態電解質的。
除了電解質,影響固態電池性能的重要因素還有負極。
固體電池負極包括鋰、碳族(碳基、硅基和錫基)、氧化物,其中,金屬鋰容量最高,是石墨容量的10倍,因此成為固態電池最主要的負極材料。但鋰非常活躍,不耐高溫,可能導致危險,會產生鋰枝晶,需做成合金。
據輝能科技網站信息,預期在電動車使用的是該公司產品PLCB-軟包鋰陶瓷電池和ELCB-高能量密度鋰陶瓷電池。前一款負極不是鋰金屬,后一款負極為鋰金屬。對于鋰金屬活躍性,輝能稱,ELCB建構在超安全的固態鋰陶瓷電池、特殊的鋰合金及3D負極的結構下,可為電池提供極高的安全性。
鋰枝晶和固體電解質界面造成的短路和低效率等瓶頸,該公司也已突破。輝能介紹,ELCB-高能量密度鋰陶瓷電池負極架構同時整合了“電子導電”、“離子導電”、“電荷轉移”,在鋰金屬和陶瓷電解質之間生成鈍性膜,該膜能提供良好的結構強度與彈性強度,能提供良好的鋰沉積空間,能降低界面阻值,可簡單安全的量產鋰金屬負極。
ELCB能量密度約為一般鋰電池的1.5~2倍,未來有望顛覆現有鋰電池市場。目前處于產品研發階段,輝能預計于2018下半年可送樣。按輝能的規劃,該電池能量密度2018年達810Wh/ L,2019年達920-935Wh/ L,2020年達1002-1010Wh/ L。明年率先在電動車使用的可能是輝能PLCB電池。
據輝能公司網站資料,其PLCB (Pouch Type- LCB)軟包鋰陶瓷電池預期體積能量密度2017-2020年分別為555Wh/ L、643Wh/ L、736Wh/ L、832Wh/ L,相應的質量能量密度分別為215Wh/kg、241Wh/kg、264Wh/kg、284Wh/kg。
正泰電器:約定石墨烯電池裝配廠開設期限將至
正泰電器2016年投資的西班牙Grabat公司宣稱研發全球首例石墨烯聚合物電池,能量密度高達1000WH/KG, 是目前鋰電池4倍,因此備受關注。
2016年,正泰電器收購西班牙GRABAT ENERGY, S.L.公司25%的股權,并約定后續雙方將在西班牙和中國繼續合資建廠,按照協議規定各占50%股權。
據正泰電器公告,Grabat電池是石墨烯聚合物鋰電池,,電極為石墨烯復合電極,核心技術在于復合電極和聚合物電解質,具有高比能量、大倍率和長壽命等優勢,重量同比減輕80%,體積同比減少67%。
GRABAT石墨烯聚合物鋰電池屬于固態電池。
有消息稱其是全固態硫鋰電池,正極為多孔石墨烯負載硫。據百度百科,鋰硫電池以金屬鋰作負極。也有說法稱GRABAT電池中含有鈉碳鉬硫,負極為碳化硅。不過正泰電器未對前述消息和說法有官方回應。
中科院寧波材料技術與工程研究所相關資料稱,全固態鋰硫電池可消除液體電解質下穿梭效應并提高安全性,是未來鋰硫電池發展重要方向。
據正泰電器2016年12月的公告,GRABAT公司西班牙首家電池工廠第一條電池生產線當年實現小批量投產,并預期2018年之前完成剩余生產線建設。
正泰電器此前公告還稱,GRABAT公司在電動汽車方面與歐洲車商開始進行測試、認證。
只是,在正泰電器完成對GRABAT公司的投資收購后,官方未再發布實質性進展消息。

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