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文章来源: 焉知汽车科技       发布时间:2019-04-22

在第九届中国国际新能源汽车暨智能网联汽车论坛上,美国SES麻省固能新能源科技有限公司创始人兼CEO胡启朝分享了,锂金属电池将超越锂离子电池迎来革命性发展。

麻省固能全球第一条锂金属电池厂即将开始量产

随着中国成为全球第一大电动汽车市场,与之密不可分的动力电池行业也得到迅速发展,锂电的产销量正在逐年增高。然而,随着锂电的产业化渐渐走向成熟,国家对新能源汽车和电池实施补贴退坡直至取消政策,当下行业的发展和政策的实施都对电池的能量密度提出新的要求。动力电池的发展趋势正朝着更安全、能量密度更高的方发展。


首先我们知道电池在我们生活中最常见的产品,首先了解一下电池的概念,广义上把所有的电池技术放在这四个范围里面,因为现在听到很多固态的、锂金属的,到底哪种是哪种不是很清楚,如果按电池内部反应堆的属性来看总共有四种:液态锂离子,液态锂金属,固态锂离子,固态锂金属。其中,固态比液态更安全,锂金属比锂离子能量密度更高。

麻省固能全球第一条锂金属电池厂即将开始量产

而随着市场的扩大,作为动力电池生厂商麻省固能也因全球汽车电动化的革新而孕育而生,电动汽车的核心是电池,电池行业平均每30年有一次技术上的根本革命能量密度增加一倍。而麻省固能的锂金属电池因为领先行业的技术和即将量产将引领革命。


01 电池行业的产业化历史


上次是1990年索尼成功将锂离子电池产业化,推向世界,如今几乎所有的移动储能,包括手机,电脑,无人机和电动汽车都被锂离子电池垄断。


在过去29年里有过三次超越锂离子电池的浪潮:


第一次是90年代初,一些企业创建并开始锂空气、锂硫、锂水等电池的开发,但因为循环寿命极低,和其他性能不符合市场要求,一直没有成功产业化。


第二次是2007年,很多公司创建并开始固态聚合物、固态氧化物、硫化物等电池开发。但因为导电性能低,和生产工艺极为复杂也没能产业化,最后走向消亡或者被收购。


第三次是2012年,包括SES麻省固能等公司创建,并开始锂金属电池的开发。虽然现在电池行业,特别是新电池技术有很多“忽悠公司”,所以我们听到90%以上的关于固态电池或者锂金属电池的新闻可能都是假新闻,到底哪个是真正可以产业化的突破,哪个只是高校发的论文这很难辨别清楚,但这一次和前面两次有很大的不同。


前面两次都没有做出过像样的电池样品,这次有,前面两次离达到市场需求和测试还差很远,但这次可以满足市场的一些核心需求。


前面两次因为生产工艺极为复杂,没有得到大型电池生产商的重视,只能做研发课题跟踪。但这次包括宁德时代、LG化学、三星、大众、通用等都感觉到危机感,并开始大力投入锂金属电池。加上这一次市场需求不同,现在汽车全面电动化对于很多车企来说,不再是作为好玩的项目存在,而且未来发展的唯一路径。

麻省固能全球第一条锂金属电池厂即将开始量产

02 锂金属电池量产的艰难之路


锂金属电池离广泛产业化还有很多工作要做,麻省固能也正在嘉定建设全球第一条锂金属电池生产厂,相信超越锂离子时代,30年一次革命即将来临。


在过去150年里出现过五次核心电池技术革命,第一次是1870年铅酸电池,然后1900年镍铬电池,1930年碱性电池,1960年镍氢电池,1990年锂离子电池。平均每30年一次,今天离上次革命过了29年,所以2020年会是一个什么样的电池技术?


如果把所有的电池历史看它的能量密度的话,可以看瓦时每千克,和瓦时每升。一个是电池有多轻,一个是电池有多小,当然一次电池目前是最高能量密度,但是是不能够循环的。二次电池中从铅酸到镍铬,镍氢,锂离子石墨,锂离子硅,每一次一个新的电池技术超越一个旧的电池技术,在能量密度方面都会增长一倍,这个其实很像另外一个行业,半导体有一个摩尔定律,每18个月它集成电路的晶体密度会增量一倍。


但是在电池,每30年能量密度增加一倍。有些所谓新的超越锂离子电池的技术,包括锂硫固态聚合物,固态氧化物和固态硫化物这些理论上可以有很高能量密度的电池,但是目前看到的,做出来的都还是能量密度非常低,甚至低于常规锂离子电池。


所以哪一种超越锂离子电池可以真正把锂离子电池能量密度提高1倍的,麻省固能认为是锂金属电池。其实看锂电池包括锂离子和锂金属的市场分布,其实最早发明是80年代在美国。90年代日本企业产业化,2000年韩国企业开始推广进入电动汽车。2015年以后目前的市场被中国的一些企业垄断。


目前大部分成熟的电池公司,比如说宁德时代、比亚迪、三星、松下等还都是液态锂离子,目标当然是固态锂金属,因为更安全,能量密度更高。但是目前全球没有一家做出真正的固态锂金属电池。


以前有过做这种固态锂金属聚合物的,但那种是高温的电池,在室温下是不能运行的。


还有一种也是做固态陶瓷材料,但是因为生产工艺极为复杂,只能做很小的电池,所以目前没有一个固态锂金属电池可以在室温下运行,并且可以做车端产品的这个目前还没有。


有一些做固态的,比如说三星等等做固态的是固态锂离子电池,就是能量密度并没有提高,甚至低于常规锂离子,但是相对来说会更安全一些。


还有一种做液态锂金属电池的,比如说通用、LG等等,这种能量密度比传统锂离子要更高,但是安全性能没有明显的提升。


而麻省固能目前是走向固态锂金属电池厂商前列的,目前在锂金属方面是全球唯一做出样品,并开始最中式线生产锂金属电池的公司。


03 麻省固能锂电池核心技术


其实整个锂金属的概念并不是很新,很多人说创新是把30年前别人试过但失败的想法再试一遍,其实为什么用锂金属呢?锂金属是元素周期表上最轻的金属。综合市场以及研发阶段我们认为锂电池会更实际一些。


最早在80年代出来的锂电池,已经用的是锂金属电池,但是那个时候因为比较厚,很危险,能量比较很低,经常爆炸。最后90年代,被石墨锂离子电池取代。锂离子电池比当初的锂金属能量密度更高,而且更安全。


2010年的时候,硅石墨混合替代了石墨锂离子,硅/石墨混合目前可以达到近300瓦时/千克,700瓦时/升左右。


麻省固能做的其实还是回到锂金属,但是用的是非常薄的锂金属,并且有一个新的更安全,循环寿命更高的电解材料。在电芯层面,目前是达到400瓦时/千克以上,1000瓦时/升以上,并不是实验室样品,而已经实现中实现生产。


其实整个电芯架构主要的核心包括锂金属负极、固态保护膜,液态盐,了解到,麻省固能的隔膜和正极是和行业其他公司合作的。


04 突破控制锂枝晶形成核心技术


锂金属很大的问题在过去30年中没有被解决的,就是锂枝晶的问题,在每次充电的时候锂金属表面会形成枝晶。这个枝晶比较细,容易形成短路,然后导致电池爆炸。


麻省固能在这一方面的技术核心是改变和控制锂枝晶的成长,用了麻省固能这项技术的电解锂枝晶形成的枝晶和常规的枝晶是很不一样的,能够完全控制在安全的区间范围内,这样就不会短路、不会爆炸。


目前麻省固能有两款电池,一个是3安时、一个是6安时,是唯一一家450瓦时/千克以上,通过UN38.3测试,并且可以达到中式线生产的公司。


麻省固能关于锂金属电池主要的核心其实在几个方面:


第一个是锂金属负极的材料;


第二个是液态盐材料;


第三个是结合隔膜,正极,锂金属和液态盐材料结合在一起做成电池的工艺;


第四个是可以把电池直接和无人机还有电动汽车的终端用户对接的电池管理系统。 麻省不能可以把锂金属电池直接销售给终端用户,或者把这两个核心材料负极和电解给电池厂,让他们去批量生产。


05 麻省固能产品规划路线


而目前电动汽车市场最期待的可以说就是能量密度高,体积小的固态锂金属电池,而且通过对麻省固能方面的采访了解到麻省固能的固态锂金属电池已经具备量产条件,核心技术层面已经被攻破,对于量产的大概计划是,2019-2020 电池产品进入无人机(Hermes),2020年液态盐和锂金属负极产品开始销售给其他电池厂,2021年电池产品进入电动汽车(Apollo)。


写在最后:


早在2017年,麻省固能发布了第一代产品Hermes(High Energy Rechargeable Metal Cells for Space), 这款世界上最轻的二次电池,能量密度高达480Wh/Kg,或许将引发地面和空中运输方式上新一轮的电池革命。


麻省固体能源公司是当前世界上极少数能将动力电池能量密度做到400Wh/kg以上的电池企业,也是目前唯一一家实现中式生产供货的电池厂。


未来,麻省固能准备将该技术投入太空,消费和工业无人机,智能手机,可穿戴装备以及电动汽车领域的应用,一个崭新的锂金属产业化模式有待开启!


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