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咖门__

锂电池可以分为几部分——正极、负极、电解

锂电池可以分为几部分——正极、负极、电解液、隔膜。上一期我们详细说过这四部分的工作原理。

在固态电池中,改进的部分主要是电解液,其他部分的技术可以提高,也可以不提高。但不管怎样,只要改进了电解液,电池的性能就会有提升。

下面是一张传统电池和固态电池的结构对比图,你一看就知道固态电池的优势在哪儿了。

传统电池的正负极都要泡在电解液里,而且还要用隔膜把正负极隔离开。上面这张图片仅仅是示意图,实际上,传统电池的正负极和隔膜就像煎饼一样,是一层一层的,然后再卷起来。

但固态电池不需要电解液,也不需要隔膜,因为中间的固态层既充当了电解液,也起到了把正负极隔离开的作用。于是空间腾出来了,正负极就可以做大一些。

我们之前说过,负极做大,对电池性能的提升并不大。因为锂电池的负极即便不做任何变化,都还有10倍的“空房子”富裕着呢。正极的改进才是提升锂电池性能的关键。

而采用固态电池的设计之后,正负极的尺寸都比传统锂电池大多了。这就相当于,通过电解液的形态变化,在电池紧凑的空间里又节省出一大截空间可以匀给正极,容纳更多的锂离子。所以,即便传统锂离子电池的正负极材料不做任何调整,固态电池的设计也天然拥有一大截能量密度上的优势。

锂电池能量密度的提高,其实一直在两条腿走路:

一条腿走的是改进正负极材料。

比如特斯拉电动车,最早用的电池是松下的NCA,也就是镍钴铝,后来换成了NCM(镍钴锰)。而且,NCM三种材料的配比还在不断调整。比如NCM811电池,就是三种材料的比例是8:1:1,但最近一系列电动车自燃事件让人们认识到了NCM811的潜在风险,现在主流是NCM523,也就是三种材料的比例是5:2:3。

而与此同时,特斯拉也在用另一条腿走路,就是改进电池组的外形,充分利用空间。

最早用的电池是18650,18是直径18mm的意思,65是长度65mm的意思,0代表圆柱形。2019年,特斯拉换用了21700电池,你可以按“18650”的定义想一下这个电池的样子——胖了一些。2020年9月,特斯拉又在电池日上宣布,会换用4680型电池。这些尺寸上的改变,更有利于他们设计电池组的水冷系统、电压监控等,节省出的空间就能塞入更多电池来提高能量密度。

而固态电池,就是增加能量密度非常有效的途径。就算正负极材料不大改,这个方向也值得尝试。电池中的电解液和隔膜早晚是要被淘汰掉的。

而且,现在一些类型的固态电池甚至连正极都没有,只有负极和固态电解液的部分。当充电电压加上以后,负极渗透过来会形成一层金属正极,这下连正极的部分都省下了。

而且,固态电池的好处不只在于增加能量密度,它还更安全,不容易燃烧爆炸。这一点我们在锂电池投资系列(五点五)中详细说过。

安全性更高,外加能量密度更高,所以从现在的发展态势上看,固态电池肯定是未来电动汽车电池的必经之路。等迈过了固态电池,未来10年、20年才会有锂空气电池、锂金属电池、锂硫电池等其他类型。

固态电池当前的问题

听到这里,有人可能会问,固态电池这么好,为什么不马上切换过去呢?

因为一旦电解液换成了固态物质,就又带来了新的麻烦。

首先,锂离子传输的速度变慢了很多。

这主要是因为在传统锂电池中,电池内部的离子是在液体中和电极接触的,现在变成了固体,这样一来,接触面的浸润程度就很关键了。比如,一把勺子是泡在热水里更快变热,还是贴在热水壶表面热得更快呢?当然是充分接触、泡在热水里变热更快了。所以,固态电池要解决的一个难点,就是离子和电极的接触。

第二个难点依然来自于接触,因为接触不充分,电流就都集中在几个接触点上,而不是电极的全部表面积上,于是接触电阻就会非常高,热量非常大。

这两点就限制了固态电池充放电时,电流不能很大。所以目前的过渡方案是,半固态电池,也就是还会用一些电解液,主要是起到浸润电极的作用。

固态电池的未来前景

QuantumScape曾经发布过一个新闻,说它们研发的单层、大面积、袋装的这样一块电池,实现了15分钟充满80%的容量,800次充放电后还保留了80%的容量。

其实这个依然是实验室的结果,只不过是一个封装比较好的、离最终产品形态比较接近的实验产品。大众汽车和比尔·盖茨也预测,这款实验室产品在未来3-5年内可以量产。

它的突破就在于,其他固态电池连快充这一点都还无法完成,而这款电池是可以完成的。但是,即便它已经很强了,你看它的循环次数还是比较少的,只有800次,而现在传统锂电池循环1000次是很常见的,磷酸铁锂电池更是可以循环3000次。

固态电池的研发非常广泛,宝马、大众、通用、福特、宾利、雷诺、苹果、戴森、丰田、现代、日产、三菱、松下、TDK、LG、三星、中国的宁德时代、国轩高科、辉能科技、万向、赣锋锂业、天齐锂业、力神电池,都把未来5年电池的研发主力布局在固态电池上。

行业内常见的目标是,2025年,固态电池能量密度要达到400Wh/kg。而今天,传统锂电池在电动汽车里用的最高可以达到300Wh/kg。所以,这个目标大概率是可以实现的。到了2030年的时候,绝大部分电动汽车的电池都会是固态电池。

还是那个问题,既然固态电池是未来必经之路,那现在传统电池里的电解液,隔膜还有投资价值吗?火哥认为肯定是有的,因为目前电动车渗透率以及对绿电的化学储能需求都在快速提升,而固态电池很乐观的估计,也只能到2025年才能量产。所以,最起码还有3年的快速增长,而现在的投资应该没有什么问题的。

原创 火炎哥 火炎金睛


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10月24日 18:23
来自电脑网页版
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