鉅大LARGE | 點擊量:997次 | 2020年08月26日
固態電池技術果真市場化了?
2020年電動汽車交付市場,特斯拉交了一份漂亮的“答卷”,9萬多輛新車的成績,遠超7.2萬輛的預期,由于銷量過盛,特斯拉不得不像供應商LG化學提出新增電池采購的需求。為此,LG化學韓國吳倉廠,還要改造產線以滿足特斯拉的需求。此外,特斯拉還與松下擴大了在內華達的生產規模。
不過,特斯拉在追加、擴產的同時,卻取消了在柏林廠生產電池的計劃。毋庸置疑,產銷兩旺的特斯拉,此時選擇縮減柏林廠的規模,應該是受疫情的影響。
電動化進程發展到今天,當動力鋰電池發展面對三元材料和磷酸鐵鋰路線走到技術天花板的窘迫之際,固態電池技術路線被看成是下一個動力鋰電池風口。從鋰電“市場霸主”中日韓,到“技術之王”美利堅,再到“后起之秀”歐洲列國,無一不是蠢蠢欲動,試圖占領固態電池的戰略高地。
但是,從行業各大公司戰略布局來來看,不論是日本的豐田和松下,還是國內的寧德時代和贛鋒鋰業,或者是車企巨頭特斯拉、大眾、寶馬等放出的信息,固態電池商業化的大好局面似乎已經到來。而事實上,現實是骨感的。
固態電池研究始于上個世紀八十年代,迄今為止還只是在第一步打轉,仍舊處于實驗室研究階段。即便是越過了實驗室階段,也要經歷一輪又一輪的小試、中試,攻克諸多生產技術和工藝等方面的難關,才可以最終實現產業化。
誠然,電池技術的進步,要全產業鏈相互協調和配合才能完成。在當下與其配套的設備、工藝等還不成熟,甚至連技術路線都不確定,生產設備都沒有的情況下,談論固態電池的商業化顯然為時尚早。電池生產工藝和設備難題,赫然成了牽絆電池技術路線發展的問題之一。
以鋰離子電池為例,生產工藝及其復雜,大致可分為極片制作、電芯制作和電池組裝三個工段,而極片制作工藝又包括電極漿料制備、電極漿料涂布、輥壓、分切、極耳焊接等工序;電芯制造工藝又重要包括卷繞或疊片、入殼封裝、注入電解液、抽真空并封裝等;電池組裝工藝重要包括化成、分容、組裝、測試等。
固態電池作為鋰離子電池的一種,拋開芯片制造的難度不談,鋰用作負極材料的制備,堪比芯片制造的難度,因為鋰極容易與空氣中的氧氣和水分發生反應,且還不耐高溫,這就給固態電池的生產組裝和實際應用中帶來了極大的困難。
以硫化物固態電解質為例,因為硫化物基固態電解質對空氣極為敏感,特別容易氧化,稍微遇到一點水氣還容易出現硫化氫這樣的有毒氣體,這意味著其生產環境的控制將十分苛刻,要隔絕水分與氧氣,并且還會出現有毒氣體。
然而,理論上硫化物電解質的生產環境要嚴格隔絕水分和氧氣,但在實際操作中幾乎不可能,因為硫化物難免不和空氣中的水分反應生成硫化氫氣體,所以這種電解質必須采用冷壓技術在惰性氛圍下進行生產。而這樣制造出來的電解質,微觀層面仍有空隙和晶界空格,無法做到完全致密,這樣充電循環過程中鋰枝晶就在會空隙中生成,最終導致電解質破碎,電池短路。
再比如,在薄膜型氧化物電解質的制造中,由于傳統的涂布法無法控制粒子的粒徑與膜厚,成膜的均勻性比較低,只有真空鍍膜法才能夠較好保持電解質的均勻性。所以,薄膜型固態電池產品多采用真空鍍膜、磁控濺射、脈沖激光沉積、化學氣相沉積等方法生產,對設備要求極高,制備工藝也很復雜,不利于大規模生產,導致生產效率低下,成本高昂。所以,目前即使是少數商用的薄膜型固態電池,也都只是用在對價格極其不敏感的特種航天、以及心臟手術領域。
此外,固態電池的生產流程、工藝方式和傳統鋰離子電池也是完全不相同的,雖然理論上固態電池和當下鋰離子電池在封裝技術上大同小異,但電解質膜片和正負極極片的制備上卻是全新的。例如,制備固態電解質或正極材料,要采用射頻濺射、射頻磁控濺射等各種濺射技術,甚至用3D打印技術;制備金屬鋰負極要采用真空熱氣相沉積技術。而這些技術如何實現大規模應用,目前也是重大挑戰。