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日本新型固态电池

充电时间缩短三分之一

固态电池和液态锂电池最大的不同在于,固态电池中固态电解质替代了原本的液态电解质和隔膜。招商证券张夏表示,固态电池在安全性、重量、尺寸、能量密度、应用和热稳定性等方面均远优于锂离子电池,国内外企业纷纷加快相关布局,固态电池有望成为下一代动力电池的核心技术路线。


近日日本东京举行的东京车展上,日产介绍了其正在开发的全固态电池(ASSB)技术。该技术有可能让日产的下一代电动汽车实现质的飞跃。ASSB技术可以让电动汽车的电池具有“几乎是现有电池两倍的能量密度”,并且具有更快的充电性能和更低的成本。



利用每个电池单元能够提供更多的能量,可以使大型、重型的汽车(比如卡车或货车)在不增加电池组体积的情况下提高续航里程。日产还表示,这些电池可以将充电时间缩短到传统电池的三分之一。

另一方面,运动型或超级跑车可以使用更小、更轻的电池组,从而提高操控性、制动性和加速性。这些电池可以在“室温到100℃”的范围内正常工作,因此,全固态电池不需要专门的冷却系统。目前ASSB技术按照日产之前公布的计划进展顺利,第一座试验性生产工厂仍然计划于明年开始运营,而首款采用ASSB技术的量产车型仍然预计于2028年推出。

日本固态电池投产增速

其它国家发展如何

丰田当前研发的固态电池的充电速度将会是特斯拉充电速度的1.5倍,充电10分钟可行驶1200公里,已经接近了燃油车加油所需要的时间。丰田表示,已经在电池材料技术上取得了突破,能在2027年或2028年之前大规模生产固态电池。

由于固态电池在安全性、重量、尺寸、能量密度、应用和热稳定性等方面均远优于锂离子电池,国内外企业纷纷加快相关布局,固态电池有望成为下一代动力电池的核心技术路线。中国固态电池规模有望在2025年达到29亿元,2030年突破200亿元,预计2022-2030年复合增长率高达55.01%。



英国相关机构的创始人指出,“全球都在密切关注固态电池技术的成功。”他强调,如果丰田或其他任何公司能够成功生产出具有成本竞争力和长寿命的固态电池,那么他们将能够实现在能量密度和充电速度上的巨大飞跃。

这一技术的成功引入,将对汽车行业产生深远影响,甚至可能改变地缘政治格局,尤其是考虑到西方国家对中国在电池原材料方面的主导地位的担忧。不过,外界对固态电池的推广并非没有质疑。批评者们对是否已经克服了所有基本的科学难题持怀疑态度,他们还质疑这种电池是否能够实现大规模的量产,并且是否存在一个可观的市场。

中国和韩国的电池制造商对固态电池的未来持较为谨慎的态度。业内人士指出,尽管固态电池在理论上具有颠覆性,但从实验室到生产线,再到市场的转变需要克服重重障碍。成本问题和技术复杂性是实现大规模生产的主要障碍,而目前锂离子电池的不断改进也给固态电池的竞争带来压力。



尽管业界对日本在固态电池商业化进程中的成果持有一定的质疑,但与此同时来自中国、美国、韩国以及其他国家的企业和机构也在紧锣密鼓地推进自己的研究,展现了一个更加复杂且充满机遇的全球电池技术发展图景。

各国投入固态电池

能否取代锂电成为主流

不久之前,中国科学技术大学的研究团队开发的新型全固态锂电池电解质,实现了锂离子的快速传导和电池的稳定循环。团队成员表示,尽管将这些发现从实验室转化为实际应用面临挑战,但他们对未来十年内看到这些技术转化为续航里程超过2000公里的电动汽车产品抱有希望。美国宇航局的首席研究员表示:“我们正在接近一个新的电池研究前沿,这将远超过锂离子电池的能力。”NASA开发的全新固态硫硒电池有望彻底改变航空旅行,将电力替代燃油成为飞机的动力来源。NASA表示,该项技术仍需更长的时间来实现商用飞机上的应用。



韩国的三星SDI和SK集团也指出:“全固态电池在材料和工艺方法上与传统电池不同,这为电池制造商带来了许多挑战。”该公司正开发两种类型的全固态电池,其高能量密度和更快的充电时间将极大地提高电动汽车的续航能力。

而另一家美国初创电池公司,正在向高循环次数、低容量损耗的商业目标迈进,而其最新款电池FlexFrame已经在千次循环中表现出95%的容量保持率,这意味着电池组可支持30万英里以上的使用寿命。

代替锂电池

固态电池有多大可能

现在市场上大部分的电动车都是锂电池。锂电池的蓄电性和储电性能虽然很好,而且经过了很长一段时间的检验,有足够的理论与实践案例,但也有许多无法解决的问题。锂电池的安全性,一直以来都是备受争议的。由于要通过电解来传导,所以锂电池的结构就变得非常复杂,而且还得加入一些易燃物,比如电解质,比如添加剂,这些东西很可能会引起火灾。尤其是在新能源汽车越来越受欢迎的情况下,发生在新能源汽车上的自燃事故也时有发生。

第二个问题,则是因为新能源汽车的兴起,锂矿石的价格也随之水涨船高,远远超出了市场的承受能力,这也就意味着,新能源汽车的生产成本也随之水涨船高,甚至有可能会出现一些技术上的缺陷。目前,碳酸锂的价格已经高达57万9千元/吨。为此,各大电池制造商都在积极地寻找着新的替代品,其中以硫化物最为合适。



硫化物在新能源电池中受到了广泛的关注,其中一个原因就是它不需要液态的导电材料,从而避免了火灾的风险。而因为没有了液化气,所以不需要在电池中安装隔板和电解液,这就给这辆车提供了更多的空间,可以让这辆车的体积变得更大,也可以让这辆车的性能得到提高。

硫化物固体电池的性能也很好,去年十月份广州公司研发出了一款高达350 Wh/kg的硫化物固体电池,可以在极低的温度下工作。即使在-40摄氏度的温度下,也不会出现漏电现象。而且,这种硫化锂电池还能快速充入10℃左右,只需要六分钟就能充满电,一旦充满,它就能一次行驶1000公里。

固态电池很好

有害气体还是要注意

而硫化物固体电池,难道就没有什么缺陷?答案自然是不能,硫化物最大的缺陷就是它会和大气中的其他东西起作用,产生一种有害的气体,或者说是一种有毒的气体,所以在生产过程中必须要遵循环保的原则,而且因为它所产生的废气会对周围的环境造成影响,所以生产过程中对它的要求也会越来越高。

其实不仅仅是固态电池硫化物的有害气体,以锂电池生产为例:金属锂负极由于其化学活性高,易与电解液发生副反应。燃料电池的生产面临更多的不可知因素:可以说整个电池的生产过程都是伴随着很多危险问题的,所以在电池生产中,都会使用真空手套箱进行:手套箱是作为一个全密闭的腔体,把腔体内外的环境完全隔绝开,腔体的一面安装有视窗 和手套,操作人员通过手套对腔体内的物料进行操作:在操作前,对整个箱体抽真空,把箱体内空气完全抽掉,降低水氧含量至0.1ppm以下,然后填充惰性气体气体进行生产。



而生产电池用手套箱,还需要装配专用烘箱以保证整个生产过程中的干燥环境,其技术要求要远远大于一般手套箱;而未来硫锂电池的量化生产,也应该离不开这种特殊的生产保护。


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