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1000公里续航来了,蔚来的150度固态电池是怎么回事

孜然实验室01-10

蔚来发布了150度固态电池,装在最新款ET7上使续航里程达到1000公里。

1000公里续航来了,蔚来的150度固态电池是怎么回事

电动汽车续航军备竞赛已经全面升级,特斯拉、比亚迪都要小心了!

1000公里续航来了,蔚来的150度固态电池是怎么回事

相比100度锂离子电池,新款固态电池能量密度提升了50%,那么这个固态电池究竟是什么黑科技。

液态电解质锂离子电池

目前绝大多数电动汽车搭载的锂离子电池,更准确的称呼应该是液态电解质锂离子电池,蔚来这次的固态电池是固态电解质锂离子电池。

液态锂离子电池,它的结构仍然是非常传统的。

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每个电池都包含有正负两个电极,在电池内部,连接负极的叫做阳极,在这里发生氧化反应,连接正极的叫做阴极,在这里发生还原反应。阳极和阴极被一个隔膜隔开,它的目的是防止阳极和阴极直接接触,因为一旦直接接触就会引起短路,结果就是电池起火爆炸。

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液态电解质锂离子电池

电池放电的时候,电子从锂当中释放出来,通过电极和导线,驱动电器工作。与此同时,锂离子要从阴极跑到阳极。

电池充电的时候,电子和锂离子的运动过程是相反的。

为了实现锂离子的转移,电极之间必须有介质,这个介质叫做电解质。今天我们常用的锂离子电池中用的是液态或者凝胶状的电解质,这就是液态锂离子电池。

液态电解质有许多好处,它电导率较高,允许锂离子自由通过。液态电解质能够完美接触阳极和阴极,使得界面电阻很小,这样就能够减少电池的内阻,充放电的时候能够减少发热。

锂离子除了要穿过电解质,还需要穿过阴极和阳极间的隔膜,这个隔膜是很特殊的,它要允许带正电的锂离子通过,还要对电子绝缘,否则电池很快就会把存储的电量消耗光。

液态电解质并非完美的材料,它低温下会分解,高温下会分解和产生气体。因此电池会逐渐衰减,还需要增加排气部件,这样会影响能量密度。

现在市场上有多种锂离子电池,不同的厂家使用的阳极和阴极材料略有不同。组成阳极的材料,通常是石墨,也可以添加硅,甚至是纯硅。组成阴极的材料,常见的是三元材料,如镍钴铝(NCA)或者镍钴锰(NCM),另一大类是磷酸铁锂。

锂电池使用不同的电极材料,性能是有差异的,比如说有的电池容量高,有的电池寿命长,有的电池充电快,有的电池安全性更好,有的电池低温性能好。特斯拉常用的三元锂电池,容量高但是安全性差,比亚迪主推的磷酸铁锂电池,容量低但是安全性好。目前并没有一种各方面都好的完美电池,而且液态锂离子电池在能量密度上已经接近极限,上升潜力很小。

目前三元锂电池因为容量高,更受车厂的欢迎,但是它在安全性上是天生比较弱的。

随着充放电次数增加,金属锂会在阳极上积聚,形成锂枝晶,锂枝晶像树枝一样缓慢生长,一旦穿透隔膜,电池就会短路,存储的能量瞬间释放,产生高温,引起电池燃烧甚至爆炸。

为了提高能量密度,电池厂家不断减少隔膜的厚度,电池也就更容易被锂枝晶刺穿。

另外,外部的机械破坏和制造缺陷,也会导致电池短路。随着电池能量密度的提升,短路问题越发明显。

高温会导致阴极材料释放出氧气,液态电解质通常是低燃点易挥发的碳酸酯类,它是高度易燃的,电池一旦短路,即使是在缺氧的环境下也能燃烧。

许多车企,包括特斯拉在内,更愿意追求更高的能量存储密度,而适度放宽安全性的要求。它们会采取一些综合方法来提高安全性,比如加强散热、建立电池监控系统、使用更结实的外壳以防止外部损伤。但是这些方法都是辅助手段,解决不了本质问题。

那么有没有可能既增加能量密度,又提高安全系数,答案就是固态电池。

固态电解质锂离子电池

固态指的是固态电解质,固态电池实际上是固态电解质锂离子电池。固态电解质密度更高,结构更坚固,可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。

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工作原理上,固态电池和液态电池没有区别,仍然是依靠锂离子在阴极和阳极之间移动。最主要的区别是固态电解质有特殊的结构允许锂离子迁移。使用固态电解质,带来一个很大的好处,它既可以当电解质用,也可以当隔膜用,这样电池结构变得更简单了,生产也能够简化。同样的空间中可以放下更多用来储存能量的阳极和阴极材料,意味着能够存储更多的能量。

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固态电解质能够在更宽的电压范围下工作,同样有利于增加能量存储密度。

与液态电池相比,固态电池最突出的优点是安全性。固态电解质不可燃;能够在更高的温度范围工作,如-50℃~200℃;固态电解质没有腐蚀性,不会发生漏液现象;固态电解质也不会挥发。

固态电池的电极材料可以沿用现在液态电池的材料体系,比如使用三元锂或者磷酸铁锂作为阴极材料,使用石墨和硅作为阳极材料,甚至可以使用金属锂作为阳极,大幅提高电池的能量密度。

固态电池发热量低,不需要特殊的冷却系统,液态电池通常需要水冷,固态电池只需要风冷就可以了。

因为安全性更高,固态电池还可以做得更紧凑,甚至比现在液态电池的CTP结构或者刀片结构更进一步,做成只有一两个或者几个单体电池的电池包。

液态电池目前已经接近能量存储密度极限,而固态电池的理论能量存储密度极限是液态锂离子电池的2~10倍。

总之,固态电池的理论能量密度比液态电池高得多;固态电池的结构更简单生产成本更低;固态电池可以使用更便宜的材料,能够进一步降低生产成本;固态电池的理论寿命更长,甚至有可能使用30年不坏;固态能够在更高的温度范围工作,因此电动汽车冬季续航不会打折扣。

固态电解质显然是固态电池的核心问题,固态电解质需要有较高的锂离子导电性能;需要对电子绝缘,就像液态电池的隔膜一样;需要用更宽的电化学窗口,也就是充电和放电终止电压的压差要尽可能大,这样就能存储更多的能量;固态电解质要跟电极材料相容性好,否则固有的优势就会大打折扣;还需要原料易得,成本较低,合成方法简单,这决定了最终产品的成本。

就像液态电解质一样,固态电解质也有很多种,常见的有聚合物、氧化物和硫化物三类。

聚合物固态电解质通常使用聚环氧乙烷(PEO)或者聚碳酸酯,优点是比较容易实现,高温工作性能好,缺点是导电能力差,成本较高,低温性能差需要加热系统才能允许,能量密度上限比较低,因此聚合物固态电池未来很难成为主流。

氧化物固态电解质,比如钠超离子导体结构(NASICON)的Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP)和Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(LATP),钙钛矿结构的Li3xLa2/3-xTiO3(LLTO),以及石榴石结构的Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZO),导电能力比聚合物好,但是比硫化物低,循环性能好,界面相容性差,原料成本低。

硫化物固态电解质,LiGPS、LiSnPS、LiSiPS等,各项性能参数都很好,原料成本较低,缺点是界面相容性差,稳定性和机械强度较弱,硫化物空气稳定性不好,遇水还会产生剧毒的硫化氢,需要干燥及惰性气体保护的生产环境。

锂离子导电性是一个关键指标,在液态电解质中,锂离子可以自由移动,但是对于固态电解质,这是一个非常大的挑战,锂离子容易被限制在坚硬的固态晶格中,导致固态电解质的锂离子导电性只有液态电解质的1/10甚至1/100。

这是研发固态电池技术中最重要、最困难的挑战之一。硫化物导电性最好,但是它的稳定性并不太好,硫化物和溶剂、助粘剂之间还会产生不良的反应。

氧化物的稳定性是几种电解质中最好的,但是它的导电性比较差,大概只有硫化物的1/10~1/20。高温烧结氧化物,可以提升导电性,但是成本太高,低温压合导电性就比较差。

还有一些其他工程手段能够提升导电性,比如对电解质和电极界面进行抛光,也可以增加特殊的涂层,甚至是采用固液混合形态的电解质。这些手段能提高导电性,但是会损失能量密度,只能作为过度阶段的方案。

硫化物遇水会产生硫化氢,硫化氢是剧毒的,而且还能够燃烧。必须在干燥室中才能够生产,如果是大规模生产,建造成本和生产成本都会高很多。如果发生意外状况,后果也是非常严重的。

电解质和电极之间的界面会产生阻抗,导致电池性能下降,不管是硫化物还是氧化物都会有问题。

氧化物的颗粒比较硬,氧界面接触状况不太好,容易形成不连续面,容易破裂,会造成短路。如果增加氧化物厚度,就必然牺牲能量密度。

可以看出,氧化物和硫化物各有优缺点,硫化物的潜力较高,但遇到的问题也更加棘手。

具体到蔚来,这款固态电池是如何实现的呢?

2019年8月22日,蔚来与辉能科技签署战略合作协议,双方将共同打造基于辉能MAB固态电池包技术的样车,并围绕固态电池的生产应用展开进一步合作。

辉能科技2012年就推出了软板固态电池,用于小型电子设备,经过多年的发展辉能攻克了固态电池氧化物体系的难关,之后进入动力电池领域。目前已经公开与辉能有合作的企业有4家,一汽、天际、蔚来以及爱驰。

由于没有其他信息,假设蔚来的150度电固态电池就是来自辉能。

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辉能固态电池电池包

固态电池最困难的地方是固固界面导电率低,辉能保留了少量凝胶电解质,凝胶电解质体积占比小于10%,重量占比小于4%,严格来说不是100%固态电池,属于固液混合电池,但是性能已经非常优秀了,离100%固态电池也仅一步之遥。

辉能还有一个独家技术叫做MAB(Multi-Axis BiPolar+),这种电池包技术包含两项技术,CTP(无模组电池包)和双极电芯技术。

MAB技术思路是简化电池包系统,主要是电池管理系统、组件以及冷却系统。最初采用液冷MAB,体积利用率是一般三元锂电池的1.46倍,重量利用率是一般三元电池的1.21倍。2021年推出的电池包将采用气冷系统,体积利用率可达到一般三元锂电池的1.56倍,重量利用率是1.25倍。

电芯层面,辉能采用的是双极电芯技术,即通过电芯内部直接串联,这样电芯的电压可以一直增加,一颗电芯就可以做到5V以上。目前基于液态锂离子电池的液态电解质最高只能承受4.4V电压,超过这个电压会使电解质崩解导致正负极短路。

内部串联与目前常用的外部串联相比,最大特点是内阻小、产热少、电池温差小、散热快,冷却系统可以降至最简。

电池还有一种主动安全机制,叫做ASM。在电芯到达一定温度时,电芯内部会产生化学反应,直接把正负极破坏,这个反应会把热能吸收掉,从而阻止电池升温、燃烧或者爆炸。

辉能已经有1GWh、2GWh、5GWh三条生产线正在建设,预计2021-2022年完工。目前电池成本大约是液态电池的1.6倍,产能超过20GWh时,成本将比液态电池低。

根据现有信息蔚来150度电池的能量密度应该超过350Wh/kg,系统能量密度能够超过220Wh/kg。作为对比,特斯拉电池包系统能量密度是161 Wh/kg。

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电池推出时间大概是2022年,这跟辉能的生产线建设进度一致。

结论

一两年内我们将见到少数车型搭载固态电池,2025年后将大量上市。大部分电动汽车续航能力将到达600公里,部分超过1000公里。安全性大大提升,10~15分钟充满电,里程焦虑消失,冬季衰减成为过去式。电动车要革燃油车的命了。

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