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量产在即 固态电池技术发展现状解读

2019-01-20
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  [沈阳爱车网 新鲜技术解读]  电池技术一直以来都是当下很多消费品进行下一步迭代的关键,它直接掐住了产品在续航以及便携能力上的脉门,它任何一小步的推进,都是消费产品一大步的提升。当然其对于汽车而言也是无比关键的,在向电气化转型的过程中,新能源汽车的动力电池能否得到质变提升,将直接影响汽车在下一个十年的发展节奏。

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  此前,丰田官方就曾提到过在所有新形态的电池技术中,固态电池是被认为是最接近量产化的产品,其高能量密度、高电压甚至可弯曲的特性,相比传统动力电池实现跨步。那时至今日,固态电池究竟发展到了什么地步,它距离量产状态还有多远?本文我们将分多个方面和您分享一些信息。

● 固态电池的技术路线

  固态电池目前拥有很多的技术体系,包括硫化物、氧化物、薄膜以及固态聚合物。在早期固态电池技术的推进中,薄膜和固态聚合物技术是主要的走向,在过去几年中,博世以及戴森等公司都在不断加大在这两项固态电池技术上的投资,但这两家公司的做法都是通过收购来实现在电池技术上的追赶。

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  但薄膜和固态聚合物技术有“高成本”和“低导电率”两个致命问题,例如薄膜技术无法在室温(25°左右)条件下实现高导电率,所以需要不断的去加热并维持在60°才能保证拥有高效的导电率。所以在很多早期的固态电池试产车上,电池因为依赖不断加热,造成自我电量损耗,其实本身也无法发挥出其它的优势。

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  而丰田一直是专注于硫化物固态电池技术的开发,但硫化物本身活性很高,在生产和使用中一旦与水接触,就会产生硫化氢。硫化氢为易燃危化品,与空气混合能形成爆炸性混合物,遇明火、高热能引起燃烧爆炸。所以硫化物固态电池技术路线虽然在生产成本上要相比薄膜技术更低一些,但如果保证从制造端到应用端足够高的安全性是更高的门槛,其实也属于从另外一个角度增加了开发成本。

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  最后一个氧化物技术路线也有自己的缺点,氧化物本身很稳定导致“脆性”很高,对生产的要求也就更高,同时导电性也并不具备优势,但从广义上讲,相比于其它三条路线,克服生产难度要比克服成本和安全性要更简单一些,所以我们这期文章里也是通过采访了一家目前已经接近市场化的固态电池技术商,来了解陶瓷氧化物固态电池的一些技术优势和与传统动力电池的差异。

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  在2019 CES展会上,我们约访了辉能科技公司(下文简称:PLG),其是一家专门研发锂电池技术的供应商,自2006年创办后,用了8年的时间攻克了陶瓷氧化物技术,同时固态电池技术也是目前该公司最核心的研发项目,该技术全称为:LCB固态锂陶瓷电池,其技术特点是:高能量密度以及高电压,针对目前纯电动汽车的发展应用,这两大特性无疑是非常关键的。

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● 能量密度是先天优势,那高电压如何实现?

  传统动力电池由于单体电池内部使用液态电解液,并且承载电压超过5V后可能会出现易分解甚至爆炸的情况,所以只能实现外部串联而无法进行内部串联。但固态电池就拥有这样的先天优势。固态锂陶瓷电池能够在电池内部就首先形成串联,使单颗电池芯的额定电压可从7.4V,最大串联叠加至高达60V,在单体电池电压上就要远高于传统动力电池。

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  在实现内部串联的高电压支持后,固态电池也能够实现双极电池技术,这同样也是传统动力电池无法实现。当单体电池在堆叠串联后加入上下两层导电材料,实现双向正负极的连接,然后再次与横向的另外一个电池包进行串联,最高可以实现4×6达到24个单体电池双向正负极对接的串联技术,电压也将由此再次叠加提高,组成一个完整的单体电池组。

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  最终6片24个串联的电池组叠加后,加入铝外壳包装,形成一个单体的固态电池包(Cell),容量能够达到20kWh以上,其单个固态电池组系统能量密度能够达到255Wh/kg,而2020年这一数据会提高到270Wh/kg,这个系统能量密度是什么概念?可以对比一下2018年中国新能源车辆补贴政策。

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『目前国内电动车动力电池系统能量密度还维持在140wh/kg左右』

  理论上,在密度和电压双增加的同时,BMS电控系统应该更加复杂才对,但实际上固态电池在管理系统上也被得到了简化,这再一次为最终封包整组的电池降低了重量和体积,这也是系统能量密度更高的原因之一。

● 密度和电压双增加,散热如何解决?

  在散热方面,固态电池也具备先天的优势,整个电池组从满电到放电结束,电池温度会维持在26°以内,而目前的圆柱形电池整个放电过程结束后,温度会在40°以上。虽然固态电池技术目前与圆柱形电池一样,同样采用水冷,但因为本身放电温度可以保持的更低,也让散热成为了其另外一大优势。

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  而基于固态电池本身放电温度低的特性,在散热方式上也能够进行更多优化。例如在电池与电池组中间加入散热胶,然后热量会通过散热胶导向电池包两侧的水流散热器上,进一步减少水流散热的体积和重量。

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  固态电池技术提供商也表示,这种前沿的电池技术相比于传统动力电池,密度提升优势是很核心的一方面。在固态电池本身拥有密度优势的前提下,也仍然要通过其它手段继续优化整组的密度叠加。所以针对整个电池组内,尽可能减少其它线材或者散热系统的空间及重量占用,让电池组拥有最大化的整体密度提升。

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  冷却系统以及BMS电池控制系统其实目前在圆柱电池组中有不小的空间占用,曾经关于这个问题也有人讨论过方形电池组是否要比圆柱电池组拥有更好的密度优势,原因就是方形电池组的散热布局占用更小,当然液态电池也有同样的优势。

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固态电池的寿命和衰减有优势么?

  在密度领先的优势下,在寿命和衰减方面是否也有优势呢?固态电池技术商也表示,其实与传统动力电池相比,固态电池其实并不具备明显的寿命优势,这也是目前技术需要继续攻克的方向,因为如果无法提高寿命和衰减能力,仅依靠能量密度优势,目前固态电池的成本仍然无法支持其大规模推广量产。

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  关于固态电池优化寿命的技术手段上,其将通过更加细小的电压侦测线材来降低“侦测损耗”和提高“侦测精准度”,带来的收益就是让电池的充放电效率更高,相比于传统动力电池在电压侦测上的损耗更小,变向提高了电池寿命。关于目前固态电池具体的寿命和衰减方面,技术商表示其完整充放电1000次后,电池还能保留88%的原始寿命。

● 固态电池的充电效率有优势么?

  固态电池的充电效率并不比当前的锂电池高太多,在同能量密度下,固态电池的充电时间也要在1小时左右,但当前的锂电池也具备同样的充电效率。另外在电池寿命方面,固态电池在完整充放电500次之后还能保持84%的使用寿命,数据同样与当前的电池技术基本相符。但报告中也提到,在固态电池中电极吸收离子的效率更高,虽然目前的充电效率并不算理想,但仍具备开发空间。

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总结

  目前PLG公司的陶瓷固态电池技术处于小规模量产状态,并且表示已经和欧美、日本以及中国车企进行了供应方面的沟通,而基于该电池技术目前欧洲也有了四台试产车,但官方表示不方便透露具体的汽车品牌。目前其也正在建立固态电池Gigafactory工厂,预计将在2020年正式投产,这也是一个固态电池的量产信号。还有另外一条路线就是向其他电池厂商或者汽车制造商授权“固态电池技术IP”,作为技术供应商的角色来推动固态电池的发展,而这个愿景的时间点会定在2022年。

  根据《中国制造2025》中的技术目标,到2020年锂电池单体能量密度将达到300Wh/kg,2025年能量密度达到400Wh/kg,所以固态电池技术仍然是目前全球最为关注的发展方向。而目前中国汽车品牌对于固态电池的跟进程度还没有看到具体的进展,不过遵循“越接近量产就越要保密”的行业规则,中国汽车品牌能否在接下来带来什么样的惊喜呢?(文/图 汽车之家 姚嘉)

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