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国内首家！蜂巢能源成功研发全固态电池，电动车续航将超1000公里原创2022-07-21 15:38·洞察新能源近日，动力电池厂商蜂巢能源发布公告称，公司的全固态电池实验室已成功研发出国内第一批20Ah级的硫系全固态原型电芯，该系列电芯的能量密度达350-400Wh/kg，已顺利通过针刺、200℃热箱等实验。一旦量产应用，电动车可实现续航里程1000公里以上。蜂巢能源称，蜂巢能源是国内第一家完成20Ah级硫系全固态原型电芯研发的公司，其全固态实验室采用的是被业内称为“地狱开发难度”的硫化物技术路线，目前已具备固态电解质材料的公斤级自主合成、固态电解质膜连续化制备、全固态软包电芯组装以及新设备开发等自主研发能力，已申请109项专利，其中发明专利93项。通过分析关键词可以发现，蜂巢能源此次公布的全固态电芯是实验室成果，目前仍停留在实验室阶段，并未实现量产。此款电芯是硫系全固态原型电芯，容量为20Ah，单体电芯的能量密度约350-400Wh/kg（组装成电池包后，内阻增大，能量密度会降低），走的是硫化物技术路线，目前固态电解质材料的产量仅为公斤级，距离大批量商用还有较远距离。那么，全固态电池到底是什么电池？它比液态锂电池好在哪儿呢？固态电池是什么电池？目前的锂离子电池，由于电解质都是液态的有机电解液，因此可以称为液态电池。固态电池和液态电池最主要的区别，是电芯内部的液态电解质换成了固态电解质，同时不再需要隔膜。随着技术的发展，液态电池的能量密度已逐渐接近理论值，很难得到大规模提升。而且液态电池存在着最致命的问题：容易产生锂枝晶。液态锂电池是依靠隔膜来隔绝电池的正负极，以防止短路的。而液态电池在充放电过程中，锂离子会在负极表面通过还原反应形成树枝状的锂原子晶体，业内称之为锂枝晶。液态锂电池在不断的充电和放电循环过程中，锂枝晶会逐渐越来越多，当锂枝晶生长到一定阶段，会刺穿隔膜，造成电芯内部正负极直接接触，从而导致短路，并引发易燃的电解液起火燃烧。因此，很多采用液态电解液的锂电池在做针刺实验时，会起火燃烧甚至爆炸。在现实生活中，当新能源汽车遇到车祸时，液态锂电池通常都会受到外部强力挤压和冲击，可能会导致电芯内部的隔膜破裂，造成正负极短路，锂电池内部随之会产生大量热量，加上液态电解质里有易燃的有机溶剂，极容引起电池的热失控，进而造成电池包起火甚至爆炸。固态电池的优缺点固态电池在把电解质材料从液态换成固态后，锂枝晶在固态电解质中生长变得缓慢，而且难以刺透，可燃性也较差，因此固态电池的热稳定性会比液态电池更强。固态电池可以说是液态锂电池的升级版和加强版，相较于传统液态电池，固态电池的能量密度更高、充电速率更大、安全性更好，循环寿命长（固态电池的循环寿命远远高于液态电池，是液态电池的10倍甚至20倍）、电芯的热管理方面都比液态锂电池要更好，因此被业界公认为是下一代的动力电池技术。固态电池最大的优势，就是可以彻底解决新能源汽车的安全焦虑。新能源汽车起火爆炸的元凶，就是动力锂电池中的有机电解液。有机电解液的燃点较低，尤其是三元材料锂电池。在遇到交通事故时，锂电池可能会收到强烈挤压或冲击，或者在电池充放电过程中，锂电池容易引发热失控，当有机电解液升温到100度以上就会起火，更高温度时还可能会引发爆炸。而全固态电池则可以从根本上解决新能源汽车的安全焦虑。因为固态电池的电解质是晶体状无机陶瓷材料，其本身不可流动，也不会渗漏，热稳定好，没有起火燃烧爆炸的隐患，安全性得到大幅度提升。而且在把电解液换成固态电解质以后，固态电解质作为中间层可以抑制锂枝晶的形成和穿透，因此将锂金属作为固态电池的负极材料成为一种可能（锂金属是能量密度最高的负极材料），进而能大幅度提升固态电池的能量密度。另外，在PACK组装时，使用固态电池可以大量减少使用冷却系统等非必要的零部件，进一步提高汽车的体积利用率，让搭载固态电池的新能源汽车能轻松实现一次充电续航超1000公里以上，从而解决用户的里程焦虑。但固态电池有个最大的缺点：成本高昂！固态电池生产环境要求严苛，生产流程繁琐复杂，良品率极低，而且与现有的液态电池生产线不兼容，需要投入巨额资金成本来重新建设生产线。由于目前全固态电池技术还不成熟，良品率低，制造和生产成本高，暂时还无法形成规模化生产，也无法实现商业化优势，可能要到2025年左右，才有可能实现规划化量产装车。目前，磷酸铁锂、三元锂为代表的液态电池依然是电动汽车最主要的电池技术路线。固态电池技术路线目前，固态电池的技术研发路线有三条，代表着主流的固态电解质材料体系，分别是聚合物、氧化物、硫化物。1、聚合物优点是容易加工，可以与现有液态电解液的生产设备和生产工艺兼容，比较柔软，机械性能好。缺点是室温下的离子电导率低、稳定性差、能量密度低、安全性差。聚合物的室温离子电导率低，需要加热到60度以上的高温时才能有比较好的离子电导率。而且聚合物的高电压稳定性比较差，无法适配于高电压的正极材料，限定了它的能量密度。另外，聚合物的安全性也没有硫化物和氧化物的热稳定性好，在高温下会发生起火燃烧的现象。2、氧化物上述三种材料中，氧化物的热稳定性最好（高达1000度），机械稳定性和电化学稳定性也都非常好。但缺点是室温下的离子电导率偏低，氧化物的离子电导率虽然比聚合物高，但比硫化物低。由于氧化物非常坚硬，会导致固态电池的孔隙率非常高，造成点接触的问题，进而无法导锂（液态电池所有的孔隙都浸润在电解液中，所以界面接触完全没有问题）。用氧化物做的全固态电池，需要用1000度以上的高温烧结后才能热压致密化，把孔隙率降低。所以目前国内在研发的基本上都是半固态电池（固体+液体混合，减少电解液），既有氧化物的固态电解质层，又有电解液浸润，这样能够填充孔隙，让它有良好的导锂通道。3、硫化物优点是，热稳定性好（可达400-600度以上）、室温离子电导率高、比较柔软、机械性能好、孔隙率较低。硫化物的室温离子电导率高，是人类目前发现的所有固体材料中，锂离子导电率唯一能超过液态电解液导锂水平的固体材料，用它来做全固态电池是最有价值的。而且硫化物比较柔软，在室温冷压的情况下，可以高度致密化，孔隙率较低。在大规模制备全固态电池的过程中，不需要100度以上的高温烧结，只需要正常的冷压致密化就可以了，因此生产难度较低。而缺点就是硫化物的电化学稳定性比较差，反应活性高。由于硫化物的反应活性高，会跟包括空气在内的几乎所有介质产生反应，如果遇到空气中的水分，就会反应生成致命的有毒气体硫化氢。因此，硫化物固态电池需要完全隔绝空气、不让它与极性溶剂接触（硫化物跟电池中的有机溶剂都不兼容），这些都增加了生产硫化物全固态电池的难度。目前来看，硫化物是最有可能实现全固态电池的材料体系。固态电池的行业发展现状目前，国内外的各大动力电池厂商和汽车巨头，都在积极参与固态电池的研发和生产。现阶段固态电池技术实力最强的是丰田公司。丰田公司研究固态电池已经20多年，技术积累深厚，是世界上拥有硫化物全固态电池专利数量最多的公司。丰田的技术路线，也是硫化物全固态电池。丰田称，计划在2025年实现硫化物全固态电池小规模量产，到2030年实现持续稳定生产。去年10月，日本三井金属公司已宣布建成年产十吨级的硫化物固态电解质材料生产线，这是世界上第一条硫化物固态电解质材料的吨级生产线。可以发现，日本的固态电池产业链正在逐步形成，丰田希望将硫化物全固态电池尽快应用于电动车，而三井金属则负责为丰田提供配套的硫化物材料。韩国也在积极发展固态电池技术，韩国的硫化物全固态电池头部公司有LG化学、三星、浦项等公司。今年3月，三星宣布开始建设世界上第一条全固态电池生产线，由浦项为其配套建设年产能24吨级的硫化物材料生产线。中国的固态电池行业，则集中于四大头部固态电池公司：北京卫蓝、江苏清陶、宁波锋锂、台湾辉能，这四家公司都是以氧化物材料为基础的固液混合（半固态电池）技术路线为主。由于现阶段固态电池的技术尚不成熟，不少动力电池厂商在研发时都采取小步快跑的路线，先逐步减少电解质中的液体含量（固液混合的半固态电池），再逐步实现全固态电池。搭载半固态电池的蔚来 ET7目前国内即将推出半固态电池成品的有两家公司：国轩高科的半固态电池将作为动力电池搭载在高合HiphiZ车型上；卫蓝新能源的半固态电池则会用于蔚来汽车今年发布的车型ET7，借助于搭载的150kwh半固态电池，ET7 将可实现1000km续航里程。另外，由赣锋锂业和东风汽车合作开发的、搭载于东风风神 E70车型上的固态电池，其实也是半固态电池。赣锋锂业公布的能量密度是 235-280Wh/kg，其电解质并非是全固态，只能算是半固态电池。由于技术还远远不成熟，各大车企和头部电池公司都一致认为，全固态电池可能要到2025年以后才会实现产业化发展，至少在2030年之前，液态锂电池仍将是市场主流。此次，随着蜂巢能源发布国内第一批20Ah级硫系全固态原型电芯，固态电池将迎来更加激烈的竞争，技术发展步伐将进一步加快。希望各大动力电池头部公司加快研发，早日实现全固态电池装车应用。聚焦新能源产业，分享对于新能源的一切！欢迎关注@洞察新能源石英石台面有什么缺点呢？