固态电池遭遇全球难产,锂电池「圣杯」恐怕只是一场梦

「固态电池普及之日,就是燃油车退出历史舞台时」,这是多年前新能源业流传的话。

 

福斯汽车电芯中心负责人弗兰克·布洛梅甚至将固态电池称为锂离子电池的「最终篇章」,和可控核融合商业化前的能源设备终点。仿佛谁能先做出固态电池并成功商业化,谁就能拿到锂电技术的「圣杯」,成为能量盒的解密者和全球新能源业霸主。

这背景下,全球新能源业者、分析师和投资人都疯狂追逐锂电技术。以QuantumScape、Solid Power等为代表的美国新创,丰田、日产、松下等日本汽车和化工巨头,以及中国电化学材料企业,纷纷加入竞赛。

QuantumScape(QS)是代表性企业,投资者阵容强大,包括福斯汽车集团和比尔盖兹。QS也不负众望,2020年上市前就验证单层电池室温加压,以1C速度充放电循环千次后还能保持原始储能量90%,QS宣布也与福斯合作建生产线,2025年投产。QS股价直接推高10倍。

然而狂欢节过去,越来越多人质疑,毕竟单层电池距离实际应用还非常远,即便技术问题解决,能否商业化也成问题。QS无机氧化物固态电解质层,重量是传统锂电隔膜10倍以上,固态电解质离子电导率低,影响放电倍率和低温工况性能。QS不得不在电池正极侧增加不少20%质量的氧化物使离子电导。

这些非活性物质增加,使电池能量密度降低,专家表示QS电池能量密度难以超过350Wh/kg,无法和主流传统锂电高阶产品拉开差距,想达固态电池理论能量密度的峰值标准,更是难上加难。

人们以为固态电池是因固态才有高能量密度,这完全错误,真正提升电池能量密度的关键在用矽或锂金属负极。这两种负极也用于液态电池,以提升能量密度。另一方面,固态电池更高安全等级同样经不起推敲。人们普遍认为,固态电解质绝缘性好,不可燃、不挥发,即便变形,也不会导致电解质外漏,但物理性能安全只是电池安全之一,其他问题高危险性都可能让固态不安全。

美国能源部研究发现,全固态电池受锂晶枝引发短路时,温度比传统锂离子电池更高,热量释放可能使易燃包装或附近材料起火;当固态电解质层因各种原因完整性受损,反应会释放巨大热量。有趣的是,QS的万圣节活动,连续多年都有人扮成锂晶枝形状的怪物。

▲ 锂晶枝。(Source:EEWeb)

且QS采用的氧化物片电解质硬度太高,不得不增加胶态电解质改善介面,会降低固态电池的安全性,尤其氧化物片因金属锂沉积的临界电流密度很小,使用时很容易短路。

QS去年底对电池安全性含糊其辞,勉强做出首批原型固态电池交货给车厂,创办人、CEO兼董事长Jagdeep Singh提到这批电池产品的可靠性「仍有很大提升空间」。

不仅如此,量产也有许多问题没解决。虽然氧化物基电解质在空气中更稳定,但制程要求很高,需800°C以上高温烧结才能致密成型,大尺寸、超薄和无缺陷陶瓷制程要求极高,量产挑战颇高。

生产环境和原材料纯度方面,全固态电池要求更比传统锂电高。批量生产大尺寸电解质薄膜可能有困难,因此全固态电池量产初期只能小规模生产,给成本容忍度更高的领域。南韩新能源研究机构SNE报告指出,即便到量产阶段,全固态电池成本至少是锂离子电池两倍,与新能源车业追求的「降本」背道而驰。

固态电池的狂欢盛宴,最聪明的资本最先冷静下来。去年底摩根士丹利分析师Adam Jonas报告,将QS评等从「观望」下调至「减持」,并将目标价从12美元下调至仅4美元,创华尔街新低。原因包括规模化和获车厂认可的时间线不确定性,以及公司融资困难。Adam Jonas表示,虽然固态电池仍代表能源储存的未来,但事实证明,实现目标之路比大众和市场预期的更困难,也更遥远。

由于市值不断缩水,股价从高位132美元跌至现在约7美元,QS也开始裁员,似乎进入Gartner技术成熟曲线的「泡沫破裂谷底期」。这匹黑马周围的泡沫开始消失。

QS在技术和资本双难中苦苦挣扎同时,美国新能源车品牌Fisker宣布放弃固态电池,转而推出搭载液态锂离子电池的普通电动车。许多人或许记得2018年,Fisker表示数月内量产固态电池,现在创办人只能用薄弱解释掩盖尴尬:「固态电池是当你觉得完成90%、几乎达成目标时,突然意识到剩下10%比之前90%困难多了的技术。」

丰田固态电池故事跳票是个关键。一直押注油电混动路线,导致纯电技术落后的丰田,一直希望提早布局固态电池技术来超车,最早可追溯到2008年,宣布和英国公司伊利卡(Ilika)合作研发固态电池材料。

10年过去,丰田固态电池合作伙伴少说也有七八家,甚至连专利都累积了1,300多项,数量遥遥领先,是排名二至五名的四家日韩企业相加,可惜的是,技术到量产的难度不亚于西方取经。2021年「2030电池战略会」活动,丰田表示高能量密度全固态电池研发不乐观,一直无法突破合适硫化物电解质材料这关键。

(Source:丰田)

技术困难无法克服,丰田不得不一再延后全固态产品量产,2019年表示2020年东京奥运会会推出搭载固态电池的新能源车,然而奥运延后一年,给丰田更多时间,消费者仍等不到固态电池车。同时商业化丰田也选了一条奇妙路线──固态电池技术先给混动车用,而非纯电车型。

考虑到电动化特别纯电化在中国形成不可阻挡的趋势,燃油车的黄昏壮丽,纯电车型的曙光刺眼,让非增程混动车市场前景一片黯淡。加上丰田车辆技术更新周期太长,普遍达4~5年,唯一纯电车型bZ4X初战告捷,又遇上大规模召回(但非电池问题)。

丰田决策再次让人感受其在新能源时代的无所适从,尽管丰田表示2025年前会推出固态电池,但「狼来了」让人对固态电池技术的期待降低不少。丰田兑现承诺的时间不多,4月上海车展,宁德时代发表凝聚态电池,最高500Wh/kg能量密度、高安全,关键是今年量产。更大可能是凝聚态装车后,固态电池或失去商业化可能性。

如今固态电池曾被万众期待的终极电池技术,难撑起燃油车「终结者」、锂电「圣杯」名号,看起来像一群人在错误的技术路线做了一场梦,梦醒时分或许已到。

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