Home / 最新消息 / 新聞發佈/公告

新聞發佈/公告

轉載|楊思枏:固態電池的壽命更長、更穩定

本文章轉載於 汽車商業評論

5月11日,2019第十一屆中國汽車藍皮書論壇來到了第二天。輝能科技創始人、CEO楊思枏出席並發表演講。他表示:“固態電池的壽命要更長、更穩定。 ”
 
< br />
以下是他的演講全文。
 
各位前輩,大家好!今天我們輝能科技很榮幸有機會受主辦方的邀請參與國內這麼盛大的一個論壇會議。
 
我想大家都了解,現在在電動車上來講最重要的一個零部件就是電池、模組、電池包部分,現在最近幾起安全性的一些問題,也凸顯出來液態電池可能在安全性上會有一些限制的狀況出現,所以我們會針對固態電池來說明一下。大家都認為固態電池是下一個最主要的主流的模式,像鋰鐵,後來變成三元,三元可能再變成固態電池。當然,我們輝能其實是走的比較早一點的,所以今天我也特別來跟大家討論一下固態電池在電動車上面商業化、產品化的可行性,同時也提到我們現在跟幾個比較主要的競爭者在產業化方面的情況,討論一下固態電池有沒有機會可能成為下一個主流的電池模式。
 
非常基本的概念來看,先說六大需求,六大需求在於整個電動車上面。對於電池的需求,我們把它分為三個必要跟三個充要的狀況。必要方面來講,主要是安全性、能量密度、低成本的狀況。至於說充要狀況、,我想客戶端肯定都希望有快充、長使用壽命、比較寬廣的使用溫度。這些部分原則上在液態電池的狀況下,並不能完完全全符合現在汽車市場的需求,這就變成在固態電池上面有它的機會能夠進入到這個市場。但是有一個問題,液態電池做不到的狀態固態電池行嗎?固態電池如果做不到,商業化、甚至取代液態電池就變成遙不可及的目標了,所以我們今天來好好討論一下這部分。
 
討論到它的商業化之前,我們先把幾個主要的固態電池的系統分析一下:
 
第一個問題,薄膜電池。薄膜電池1997年問世到現在,最大的問題點就是它的成本過高,無法成為現在的主流。正因為這樣的關係,它採用的是半導體的製程方式,成本過高了,成本過高造成的就是,第一個必要條件做不到,這時候dyson在2018年的時候放棄了這個技術,他們對於這個專利基本上也不再做維護了。
 
接下來,如果從量產較佳的狀況來看,主要是固態聚合物,它的量產形式是相對比較好的狀況,它的成本跟製造模式相近於現在的液態電池,但是很大的問題在於它的導電度。它的導電度基本上來講,需要加溫才能夠做到60度—80度,而60度—80度也相對代表了一件事情,就是在電池包的能量密度上來講,需要加溫系統和加壓系統,使得電池包的能量密度會降到只有110Wh/L—140Wh/L。但是,這個部分和現在的液態電池相比,後者動輒在200Wh/L—250Wh/L以上。因為這樣的關係,所以博世去年也基本上也放棄了。
 
接下來,如果以導電性最好的狀況來看,我們回頭再來看硫化物。硫化物現在是所有電池、尤其是電解質這個系統上比較起液態電池來看,其有更高的可能性。硫化物導電相對比較好的狀況下,促成了固態電池可以執行的一個狀況,但很可惜的是它的穩定性狀況並不太足夠,本身跟本身之間沒有太大問題,但是本身跟其他的硬物質包括活性材料,或者說製程過程中跟溶劑、助粘劑,跟活性材料水氣都會產生不好的反應。尤其是在整個全線製造上面來講,如果有含水,要去水才能夠恢復到好的離子導通的狀況下反而會產生硫化氫。硫化氫基本上是有產毒的可能性,也會燃燒的。按照這樣來看,硫化物相對會比較麻煩。也因為這樣的關係,所以如果有水分的狀況下,它就必須得要全線都在乾燥室,乾燥室的條件非常高,這個代表的是一個成本上的大問題。這個部分也使得豐田在2019年日本電池展的時候也提到了,他們主要的大問題就是其中的一項。
 
再來看氧化物。氧化物的穩定性應該是所有電解質裡面最好的,但是有很大的問題,就是它的導電度,它的導電度大概只有硫化物的1/10到1/20。另外一個問題點,就是它的界面接觸的狀況也不是挺好的,因為氧化物的顆粒比較硬,同時它的物理接觸狀況面積較差,因為它的顆粒較硬,比較容易堆積形成不連續面,容易破裂,這個東西就會產生所謂的短路問題,短路會造成整體在量產上面良率的大幅度下降。
 
簡單來看,因為現在我們比較確定的是,大概硫化物跟氧化物有成為主流的可能性。當然這個問題相對比較多,所以我們很簡單的介紹一下。
 
氧化物固態電解質本身的優勢,包括電解質的穩定,電解質的界面也很穩定,極化問題基本上是非常好的一個狀況,濃差極化不存在,等一下會提到快充狀況的優勢。電解質跟隔膜的散熱係數較高,會使得後續在整個整車廠在散熱系統上面能夠得到比較好的好處。
 
談完優勢要談一下它的瓶頸,氧化物方面來講,對於電解質的導電率基本上是較大的問題點,比起液態電池會在高溫上面會有揮發和分解問題,在低溫的時候會有分離的問題,在固態電解質上是看不到這個問題的。氧化物雖然比液態電解質低一點,原則上還是有它的好處。但是在界面的阻抗上來看,不管是硫化物還是氧化物都會有問題,電解質跟電解質本身之間是存在一些比較大的問題點,尤其在氧化物上面來講,如果說以高溫燒結,成本太高,如果是低溫壓合又沒有辦法得到較好的離子導通。在電解質跟活性材料來講,我們會把它分為化學性和物理性,化學性基本上硫化物相對較差,尤其它形成正極的時候,會使得它的離子導通會下降百分之一到千分之一,同時間會有污染的問題出現。氧化物基本上化學性較好,但是它的物理性接觸面積就變得較差了,這部分也是它的一個大問題。
 
極層成膜性,也是固態電池上面非常大的缺點,尤其是氧化物,剛剛也提到容易產生破裂的問題。還有就是隔層的厚度,隔層基本上是用固態電解質形成的,顆粒越多或者孔洞越多的時候就會造成它需要更厚的狀況,避免所謂貫通形成。這時候它的隔膜越厚代表能量密度越低,厚膜極化的問題更嚴重。最後一項,就是隔層和極層本身的阻抗,這部分也是固態電池不OK的地方,因為隔層和極層的介面並不是一個連續介面的狀況,所以會造成整個界面阻抗較高的問題。當然大家可以看到都進行了一些改善,這些改善我們等一下會提到,包括如何進行商業化。
 


基於我們之前所改善的狀況,我們來討論固態電解質商業化的可行性。

第一個問題,剛剛提到了三個必要的狀況,其中一個是安全性。從氧化物安全性上來講,優於液態跟固態電解質,基本上是毋庸置疑的,你可以看到不管是電解質穩定、界面穩定等等均是如此。
 
第二個問題,硫化物的安全性。很抱歉,我認為我們現在還是沒有辦法明確的確定它是否是安全的。因為硫化氫本身含有毒性、同時可燃,一旦電解質的封裝產生問題,不管是穿刺還是其他的封裝的狀況下,都可能會使得安全難以控制。
 
我們來講一個基本的證明,實證狀況來看,您可以看到,下面屬於液態電池電阻反應的重點,原則上講會有一、二、三、四,這個是用NCM811做出來的一個測試,你可以發現基本上對標於現在的NCM811,這個期間就有很大的差距,因為我們的測試基本上做到280攝氏度的烘烤測試,280攝氏度的烘烤測試可以把它分成一、二、三四的狀況,這些東西都是發生反應或者產熱的一些過程。
 
您可以看到,我們舉幾個例子,隔膜基本上來講,液態電池高溫狀況下會有熔融的問題,這個時候會產生更多的能量外洩的狀況,促使溫度能夠提升到正極分解的溫度狀況,這是非常重要的一環。但是你可以看到我們的固態電池,即便達到280—300攝氏度的狀況,我們的隔層基本上還是有隔層的效果,就是使得負極跟正極不會直接接觸的效果存在,那個藍色線就是電壓,所以這樣的狀況下代表它還是能夠維持很好的隔離效果,使得正極跟負極不接觸的狀況。
 
另外一個問題,就是正極分解狀況。 NCM811和一般的液態電解液反應,大概180攝氏度的時候就會分解,你可以看到,如果以固態電池的狀況來講,大概在220—230攝氏度,通常來講180攝氏度是在正極和液態電解液反應分解產生大量氣體和氧,這個部分trigger point基本上來講溫度就會形成了,但是固態電池到220—230攝氏度才發生。
 
第二個問題點,產熱基本上也相對比較小,這部分都使得固態電池在安全性上相對大很多。可能大家對於液態電解質和固態電解質安規檢測不太了解。一般來講,國內現行的標準,烘烤高溫測試的狀況是130攝氏度為主,固態電池基本上能過200攝氏度或者280攝氏度的狀況,這個過程安全性上來看,固態電池的確比現在液態電池好很多。
 
這個部分就是由10安培到18安培小時做出來在車廠測試的結論。原則上講,當然高溫測試不僅僅只高溫,還包含了60度穿刺,在60度狀況下做5C、10V。現在國內基本上已經不做穿刺測試了,這部分更高了,液態電池現在的標準是,在過充的測試大概是1C、1.5倍的最高電壓,就是大概6V左右。現在高壓要求更高鎳的材料的引進,現在可能會降到1.1倍、4.5V左右的狀況,可是現在在固態電池上可以過5C、10V的狀況。
 
接下來,因為等下會有能量密度的問題,這是一個最重要的商業化的依據,所以我們等下再來談一下這個,我們簡單把其他的部分進行討論。
 
第一個,固態電解質可以快充嗎?基本上是可行的,等下我們介紹。
 
第一個問題,我們的架構技術利用的是氧化物,但是我們是用這個方式做的,混成固態的時候將近有10個百分點的液態電解質跟固態電解質,但是體積、重量更低了點。這個部分有一個非常關鍵性的改善,使得我們的阻值大幅度下降,從原來的250mΩ降到只剩下15,這個在2.4安培、2.3安培小時的狀況,比較液態電池電池在18650,這個是松下的一個電池,在2.8安培左右的時候是在這樣的狀況,基本上完全相同了。
 
再來無區域極化的問題,使得我們的快充是有機會做到和液態電池相同,甚至是比液態電池更好的狀況。不過這裡必須提到定電流變成定電壓,這是一個電池上面的專用術語。如果用這樣的方式做充電的話,我們的電池基本上在12分鐘以內可以充到77%。比起現在一般液態電池來看,這部分我們必須要講,我們(測試對標)主要採用的是3C的產品,所以它並不是給快充運用的狀況,所以可能這方面稍微低一點。不過這個至少現在跟液態電池是接近、甚至稍好一點點,好的地方在哪裡?主要在溫度,一般來講快充過程當中的時候,電壓溫度基本上上升幅度都很高。但是對於我們所謂固態電池的狀況上,我們差了將近10度到20度左右的差距點,這個部分也一樣會使得電池包的散熱系統基本上能夠做的更簡單。
 
長使用壽命,基本上分成循環壽命跟日曆壽命兩種。使用壽命基本來講,最主要的是物理界面跟化學界面的穩定,在長使用壽命、循環壽命來講這兩項都包含在內。我們公司,因為改善物理界面,本身就是固態電解質的優勢。所以可到看到,我們大概在千次的放電,1C充放大概可以超過80%,可以到1000—1200次,如果0.5C充放大概2000—2500次,基本上符合了我們現在電動車的需求。同時,我們還有比較特別的地方,比如在高溫循環的狀況,高溫循環的壽命測試基本上我們可以做到0.5C充放、500次,83%,這是一般液態電池絕對不可能做到的狀況。
 
另外一個問題,就是日曆壽命,日曆壽命最重要的一點,如果它的DCIR增加幅度不太一樣的情況下,在高串並狀況下,就會使得這個電池包充不飽、放不完,這個時候就會產生實際行駛距離會大幅度下降下來。固態電池的確也有這方面的優勢,所以你可以看到,我們這部分60攝氏度、60天的測試狀況來看,我們的DCIR幾乎不增加,這部分代表了一件事情,就是說後續在固態電池使用的狀況。所謂的使用壽命、日曆壽命狀況來講會非常穩定,而且非常適合在所謂高串併的狀況。
 
高低溫的操作狀況。高低溫操作還是跟剛才的狀況比較相同,就是界面本身的一些穩定,包括固態電解質的本質穩定。可以看到,我們大概在85攝氏度的狀況下可以充放,甚至100攝氏度—150攝氏度把電壓降下來,一樣可以做充放電的狀況。
 
另外,因為低溫狀況下,因為固態電解質本身沒有向分離、析出的問題,所以它可以儲存在負65攝氏度狀況下,在3個月、5個月之後恢復之後還可以正常使用。同時,在負20攝氏度到負25攝氏度狀況下,跟現在的液態電池是差不了多大,最重要的是在負30攝氏度到負40攝氏度的時候,一樣可以在這樣的狀況下進行放電,同時不會產生太嚴重的問題。這部分也幫助了現在我們的電池包能夠進行在低溫狀況進行正常的放電,這部分在固態電池上都得到了比較好的解決。
 
我們剛才看到,充要的條件基本上我們都能夠有一定的恢復狀況,但是有一個重點,能量密度部分,固態電解質基本上大部分來講都覺得它的能量密度比現在液態電解質高,其實是對、也是不對的。
 
固態電解質本身的密度比液態電池高,所以它在理論上,如果你採用的是正常的相同於正極跟負極材料的話,它的能量密度基本上是不可能跟現在的液態電池一樣高的。但是為什麼大家覺得它的能量密度還是一樣會比它高呢?這個原因是因為它採用了更高的利用率和更高能量密度的正極跟負極材料,但是更危險,因為固態電池本身能夠提供非常穩定的平台,所以這部分有辦法改善這個東西。
 
問題來了,其實會討論到一個所謂的新技術導入規模化市場上的悖論問題。我們大家也提到,它可以採用更高利用率的正極材料跟負極材料,但是相對而言這個材料基本上就是少量,而且單價比較昂貴,這個部分就造成了這個市場上要進入非常困難的地方,造成所謂的悖論問題。
 
但是我們現在有很重要的一環,其實固態電池從來都不是單純的電芯材料的技術或者是電芯技術而已,它還包含了雙極電池的電池包的技術,而這個技術基本上它的成組效率非常高,可以使得現在一般比如說73%,這個是C公司今年度發布的新聞,成組效率是73%,比能量是245Wh/kg,假設它用NCM811,我們也用NCM811,我們得出是200多瓦時/公斤,但是我們的成組效率大概80%—85%的時候,我們就能達到176Wh/kg— 183Wh/kg,接近於現在液態電池的狀況。當然安全性還是比他們好很多。
 
但是第二個問題,在體積能量密度狀況上,他的成組效率是53%,我們成組效率是70%—75%,這個時候我們就超過他了。得出的結論就是說,如果用雙極電池技術的狀況下,我們的能量密度基本上就算是採用相同的活性材料我們也能夠達到跟現在(液態電池包)一樣的狀況,唯一的問題點就是只有固態電解質本身的價格。
 
固態電解質一般就比液態電池高嗎?現在電池不採用稀有元素的狀況下,只要規模達到一定程度的時候,基本上固態電解質的成本跟現在電解液的所謂的添加物,如果你要能夠加強安全的狀況的時候,隔膜還要做陶瓷塗覆,添加物基本上也相對複雜,成本不見得大幅度下降下來。
 
比起這樣的狀況來看,就會使得固態電解質跟現在的液態電池有一定的機會點,這是我們的成本上的分析。我們的產能1GWh時電芯成本1.6倍、電池包成本1.3倍,這個10GWh時電芯成本大概1.3倍,電池包的成本大概是1.05倍,到20GWh的時候,就有機會在電池包的狀況得到98%。我剛剛少提了一個狀況,雙極電池包它的成本較一般的電池包低,只有7成,因為簡化了串聯方式,我們的安全性雙極電池就是直接在電芯裡面做一個所謂的內部串聯接觸,它會使得這個系統基本上簡化了電池芯數量,BMS也簡化了,它的冷卻系統也簡化了,所以它的成本基本上會變得更低。因為這樣的關係,所以在20GWh的狀況下面,固態電池就有機會比較好。按照這樣的概念來看,固態電池的商業化基本上是可行的。
 
這是我們的兩個核心技術,如果有興趣,因為時間有限,我們可以看一下,這個我們剛剛得了美國的艾迪森發明創新獎的金獎。
 
最後一部分,是量產時間表的狀況。這裡面有提到TOYOTA跟日立造船,原則上大家的基本技術開發都需要時間,我們因為比較早做,所以比較快點能夠達到這樣的狀況。跟現在在TOYOTA的狀況來講,我們覺得有幾項工藝他們還需要做克服,我們已經差不多了。
 
我們現在已經有40個百萬瓦時的中試線,在2017年完成捲式生產,接下來我們大概在2020年的時候會開始完成我們1GWh產線的試車,預估大概在2021年的年初會進行大量量產。不過我們所推出來的產品都會比TOYOTA在這方面稍微快一點,它達到450瓦時/公升,我們能夠達到680瓦時/公升。那剛才說的成組效率基本上大家都相同的時候,我們就會有一定程度領先的狀況。
 
最後是改善方向,這個就是我們電池的長項,可以再加強的部分,就是把我們隔層再下降,降低我們的隔層厚度和增加我們的能量密度,同時增加我們的放電能力跟充電能力,當然這個就是我們現在能量密度的表現。現在我們的狀況,到2023年的時候會達到100% SiOx,其實我們現在實驗室基本上已經做到了400次,我們希望能夠做到800次,這個TOYOTA 2022年能夠做到Target 450瓦時/公升,我們已經做到了,這個就是現在我們的發展狀況。
 
最後還是要提到,電池包跟電池的狀況,國標狀況我們電池芯沒有辦法達到,因為我們的能量密度基本上是之後比較高的,但是如果加上雙極電池包的這個架構技術,我們就能夠達到國標的目標,在2020年能夠達到220Wh/kg,2025年能夠達到300Wh/kg左右的狀況。
 
謝謝大家!
Copyright © 2015 ProLogium Technology Co., Ltd. All Rights Reserved.