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动力电池技术创新有余,突破不足

现阶段的动力电池技术不乏优化与创新
今年以来,动力电池领域不断传来技术新进展,仅7月份就爆出两则好消息。先是7月16日,蜂巢能源宣布全球首款无钴电池正式实现量产,其由此也成为全球首家突破无钴电池技术难关,成功实现产品量产的动力电池企业。据蜂巢能源技术人员介绍,该款电池具有高安全性、高能量密度、高循环寿命和低成本的核心优势。相比同级别的高镍三元电池,该款无钴电芯循环寿命可达到3000次以上,能轻松通过150℃的热箱测试和140%SOC的过充测试,拥有GB/IEC62660/UL2580/UN38.3等多项标准认证。
随后的7月29日,宁德时代发布了第一代钠离子电池。据其介绍,在正极材料方面,该电池采用了克容量较高的普鲁士白材料,对材料体相结构进行电荷重排,解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减的核心难题;在负极材料方面,宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料,具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性。
基于上述材料体系的一系列突破,宁德时代研发的第一代钠离子电池具备高能量密度、高倍率充电、优异的热稳定性、良好的低温性能与高集成效率等特点。其电芯单体能量密度达160Wh/kg;常温下充电15分钟,电量可达80%以上;在-20%uB0C低温环境中,拥有90%以上的放电保持率;系统集成效率可达80%以上;热稳定性远超国家强标的安全要求。
值得关注的是,虽然钠离子电池的安全性、经济性、工作温度等多项指标都优于锂离子电池,但钠离子电池能量密度较低,产品性能相对不高。因此,为了弥补钠离子电池在现阶段的能量密度短板,宁德时代此次发布的钠离子电池是与锂电池混搭的,其创新的锂钠混搭电池包也一起在发布会上首次亮相。这就是宁德时代在电池系统集成方面提供的AB电池系统解决方案,即钠离子电池与锂离子电池两种电池按一定比例进行混搭,集成到同一个电池系统里,通过BMS精准算法进行不同电池体系的均衡控制。
宁德时代董事长曾毓群解释称,“新的应用场景不断出现,给了不同技术展示的舞台。钠离子电池在低温性能、快充以及环境的适应性等方面拥有独特的优势,与锂离子电池相互兼容互补,多元化的技术路线也是产业长期稳定发展的重要保障。”
事实上,除了宁德时代外,市场上研究钠离子电池的企业还有中科海纳、格林美等多家企业。今年6月底,中科海纳发布了全球首套1MWh钠离子电池光储充智能微网系统,该系统以钠离子电池为储能主体,推动了钠离子电池商业化的应用发展。同时,格林美也在今年5月份称其已经完成了钠离子电池材料的研发,鹏辉能源也已经做出钠离子电池样品并于6月份进行中试。
从宁德时代的“钠锂混搭”方案,我们不难看出,在电池技术难以获得实质性突破的现在,各大电池制造商的主要工作就是针对现有的电池包,整合产业链技术进行集成创新。其本质上还是通过结构优化提高电芯通量和体积利用率,通过物理阻隔、冷却和软件监控等方式,实现热监控并阻止热扩散,广汽埃安的弹匣电池和比亚迪的刀片电池采用的都是这个路径。
为了让三元锂电池包在针刺后不发生热失控,不起火,广汽埃安在今年3月10日发布的新一代动力电池安全技术——“弹匣电池”系统采用了超高耐热稳定电芯、超强隔热电池安全舱、急速降温三维速冷系统和全时管控第五代电池管理系统等安全技术。顾名思义,弹匣电池技术就是打造了一个安全保护壳,将电芯一个个地放进安全舱,酷似弹匣中的子弹,这个子弹既能是三元锂,也能是磷酸铁锂。弹匣电池采用了耐高温(超1400℃)材料制成,并在电芯之间采用了隔热材料,可以很好地阻燃隔热,保证在一个电芯出现问题的情况下不会波及其他电芯。
上述技术无论是针对电芯的材料创新,还是针对电池包的结构创新,其本质上都是一种对现有技术的优化,不能称之为颠覆性技术。因此,不管是锂电池的“去钴”,还是“钠锂混搭”,现阶段宣布已经量产或即将量产的动力电池技术,都有一个共同的特点,其研发目的是在降低成本、提高安全、增加续航方面找到平衡点,提升整车竞争力。

未来真正称得上颠覆性的技术向何方突破?
就现阶段来看,新能源汽车存在的续航短、充电慢、衰减快、售价高、安全性差、残值低等诸多痛点,症结根源直指电池,其性能难以多方兼顾,全面突破面临挑战。
那么,未来能够真正颠覆锂离子和磷酸铁锂电池地位的技术有哪些呢?离量产的距离还有多远?
近来在全球范围内最热门的怕要属固态电池了。现代汽车的计划是在2025年试生产配备全固态电池的电动车,2027年部分批量生产,在2030年左右实现全面批量生产。与 此同时,大众、通用、丰田等国际主机厂也在积极布局固态电池的研发和量产应用。在国内,宁德时代、国轩高科、蜂巢能源、赣锋锂电、清陶、卫蓝等中国电池企业也在积极研发固态电池,商业化应用时间集中在2025-2030年。
所谓固态电池,顾名思义就是使用固体电解质的锂电池,与目前主流的传统锂离子电池最大的不同在于电解质。从工作原理来看,传统锂电池由正极、负极、隔膜和电解液组成,而电解液中含有易燃的有机溶剂,发生内部短路时温度骤升容易引起燃烧,甚至爆炸。而固体电解质材料具有不可燃、无腐蚀、不挥发以及不漏液等特性,即便是在高温环境下也不会发生副反应。因此,采用固态电解质替代传统锂离子电池中的电解液和隔膜,有望提升电池的单体能量密度,在结构上有着更强的温度适应性,电池使用寿命也相对延长,安全性能将得到有效改善。
作为下一代动力电池的重要技术路线,固态电池被寄予厚望。但总体而言,目前固态电池在世界范围内尚处于研发阶段,距离产业化还比较远。在固态电池的发展过程中,还存在许多需要面对的问题,一些瓶颈还有待解决。这些难题包括固态电解质材料的锂离子电导率偏低、金属锂反复充放电的循环性问题、电解质可塑性差、界面相容性等方面。
除此之外,锂硫电池、金属-空气电池等也在研发中,技术瓶颈待解,量产遥遥无期。
其中,锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂离子电池。单质硫在地球中储量丰富,具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池,其材料理论比容量和电池理论比能量较高,分别达到1675mAh/g和2600Wh/kg,远远高于商业上广泛应用的钴酸锂离子电池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一种对环境友好的元素,对环境基本没有污染,是一种非常有前景的锂离子电池。
然而,锂硫电池的主要问题在于,如果电解质使用锂离子电池中通常使用的有机电解质,则电池容量将随着充电和放电循环而显著降低。在电池的充电和放电反应期间产生的硫和锂的中间化合物将溶解在电解质中并在负极侧发生反应,从而大大减少了用于充电和放电的硫量。这些技术瓶颈都是等待攻克的难题。
金属-空气电池具有一半电池属性、一半燃料电池属性,使用的是空气和电池内部的化学物质发生反应来产生电能。因为空气可以随时获取,这样就不需要在电池中储存含有氧元素的固态物质,这样一来就可以填入更多的锂元素来增加能量密度。所以这种电池相比传统锂离子电池的能量密度提升可高达10倍。目前主流研究方向主要是锂-空气电池和锌-空气电池。
金属-空气电池最大的技术瓶颈在于反复充电。如果是一次性电池,那么毫无疑问,这种技术具备碾压式的优势。然而要想将其制造成可以反复充电的电池,就是非常困难的事情了。由于电池内部的金属化学物质会因为跟空气发生化学反应而慢慢变性,因此这种电池在充电几次之后就几乎失效了,所以反复充电的寿命问题亟待攻克。
注:本文首发于《汽车纵横》杂志2021年9月刊
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