固态电池没有过渡方案,半固态电池走入“死胡同”

衣衣谈汽车 2024-07-14 08:24:45

2010年,韩国现代与LG化学共同量产了全球第一块“半固态”电池,搭载于现代索纳塔混动版本中。与当下半固态电池“超长续航”的产品点不同,当时现代这块1.4kWh的“微型”电池包,主打的是轻量化。

韩国人对于该条技术路线是充满期待的。

在营销方面向来保守的现代汽车,曾公开点名丰田,称后者的凯美瑞混动版本搭载的镍氢电池包(重量为56公斤)全面落后。索纳塔半固态电池重量为43公斤,与凯美瑞相比重量减轻20-30% 、体积缩小40%、电池输出功率提高10%。

(2011款搭载LG半固态电池的索纳塔混动版本)

但韩国人没有提及的是,技术的尝鲜是要付出代价的。这块电池的成本要比传统混动电池高出约20%。由于带电量实在过低,对于终端消费者而言,其性能表现的提升并不显著。

虽然该电池应用了叠片技术、凝胶电解质以及日韩并不常见的方形封装结构,但终端市场反响平平,叠加突出的成本问题,现代将该电池从配置中悄悄移除,更换为了普通三元电池。

现代的这一次技术回撤,也为后来半固态电池的“艰难上车”埋下伏笔。

5年后的中国市场,蔚来ET7与智己L6先后装车半固态电池。

其中,卫蓝新能源为蔚来供货的360Wh/kg电芯,度电成本约为1800元/kWh,是目前主流三元电池的两倍多(截至2024年7月三元电池度电成本为710元/kWh)。

鉴于供货智己的清陶能源也没有大批量出货,因此二者在度电成本方面应该是基本类似。

中国电动汽车百人会旗下《车百智库》也曾发布报告,目前全固态电池的材料成本约为1.5-2.5元/Wh,远高于磷酸铁锂与三元。

除了成本问题之外,半固态电池的技术路线越来越“迷幻”。

电解液含量增加违背固态电池发展本质、快充与安全问题无法提升、结构体系发展趋向液态电池等问题,与当下终端市场的主要诉求渐行渐远。

基于以上,本文尝试回答半固态电池当下存在的三个主要问题:

半固态电池与固态电池是什么关系?半固态电池能否在整车应用中规模上车?半固态电池的出现解决了终端用户的什么需求?

一、半固态的第一问:与固态电池是什么关系

先回答问题:

严格来说,这半固态与固态,两个技术路线没有什么关系。在生产与技术方面,也没有任何的继承性。

先来对比一下这两个技术路线的开发思路。

半固态电池概念刚刚提出时,其技术路线是向固态电池无限靠拢的,主要开发思路为:

增加少量液态电解液,在固态电解质与正负极之间起到浸润作用,避免固态电解质与正极活性材料这两个固体材料,在充放电时因体积变化导致接触不良,引起电导率下降问题。

但整体电解液含量需要控制在5%以下,以保证电池安全性能的提升。

固态电池的开发思路为:

引入在高温下更稳定的固态电解质,彻底消除动力电池热失控引发的安全隐患。同时通过固态电解质,匹配更高能量密度的正负极材料。

但失去了电解液的浸润,也引出了固态电池的头号技术难题——固体电解质与正极的界面问题(固-固界面机械交互)。

(固态电池、液态电池内部结构对比)

在传统液态电池中,电解液的重要作用是作为锂离子传输的介质,使其在电池的正负极之间移动。而固态电池取消了电解液结构,导致正极与固态电解质直接接触,阻碍锂离子传输,使电导率降低了好几个数量级。

如果大家没有直观概念,我们简单做一个类比:

我们手上有一张白色的纸(负极),还有一张红色的纸(正极)。如果我们想要给白色的纸染成红色(正极锂离子传输到负极),最简单的办法就是将两张纸贴在一起,然后倒水(电解液),通过水将红色染料(锂离子)渗透进白色的纸上(电解液传输锂离子)。

固态电池的界面问题就相当于,我们将红、白纸贴在一起,不加水,如何将红色纸上的染料渗透到白色的纸上。

半固态的初衷,是取折中方案,通过微量的电解液来改善这一缺陷。

但在实际研发过程中,根据某车企的动力电池实验室透露:

5%的电解液含量实际对于半固态电解质的界面问题改善极为有限,电池的循环寿命与倍率性能依旧有很大问题。

(半固态电池、全固态电池结构对比 图片来源:《Approaching Practically Accessible Solid-State Batteries: Stability Issues Related to Solid Electrolytes and Interfaces》,Rusong Chen)

基于此,当下的半固态电池开始通过提升电解液含量的方式,不断修饰固-固界面问题。但随着电解液含量的不断提升,其内部含液量基本也与液态电池相差无几。

根据某车企信源,目前市场量产的高镍硅碳液态锂离子电池,电解液含量与半固态电池基本持平(含液量在10-15%之间)。

也就是说,半固态电池除了引入了部分固态电解质外,与传统液态电池的结构相比,基本没有太大变化。

同时,液态锂离子电池的性能在近两年越来越强,固态电池的难点又迟迟不能突破,被夹在中间的半固态电池的处境非常尴尬:

向上无法做到与固态电池相同的安全性与能量密度;

向下又无法兼顾液态电池的成本,能量密度还要被液态电池频频挑战。

中创新航首席技术官潘芳芳就曾公开表示:半固态电池能达到的能量功率寿命水平,液态电池都能达到,还更加容易达到。

而引入了固态电解质的半固态电池,又有一个非常显著的缺陷——电池重量。

从材料方面来看,固态电解质的密度(1.97-5.07/cm³)要高于液态电解液(平均密度1.2g/cm³)。

这也就导致在同样的电池包尺寸下,固态电解质一旦达到一定厚度,其整体电池重量一定会高于液态电池(重量=密度×体积)。

如果要实现比液态电池更高的能量密度,就需要对应优化正负极材料,对冲重量劣势。

因此,我们可以看到,半固态电池为了弥补这一缺陷,基本全部上马9系超高镍、硅碳负极。

那么问题又来了:这套体系,明明液态电池也能做,而且做的更好,为什么要用成本更高的半固态呢?

这也就点明了半固态电池的另一个缺点:

虽然顶着“固态”的头衔,但始终无法应用固态电池的终极材料——锂金属(锂金属最高理论克容量为3860mAh/g,硅碳最高利润可容量为450mAh/g。锂金属搭配克容量更高的正极,可将电池整体续航拉升30%-40%以上)。

简单来说,半固态无法应用锂金属的根本原因,就是内部仍为液态电池结构保留了大量的电解液。

由于锂金属化学性质活泼,如果电池内部存在电解液,该种材料会与后者反应生成大量有机、无机物质,进而产生大量气体,影响电池整体安全。同时,锂金属在电池内部氧化还原过程中,会有大量锂枝晶形成,刺穿电池隔膜造成正负极短路。

‍(锂金属枝晶示意)

如果使用锂金属,就需要放弃电解液引入固态电解质,抑制其枝晶生长,避免气体生成。

写到这里,想必大家已经发现半固态电池的问题了:

正负极材料体系没有非常大的革新,无法应用专属固态的电池材料;电解液含量与液态电池基本一致,结构无限接近于液态电池;没有实际解决固态电池的生产难点。

半固态电池,你的亲兄弟是液态电池,而不是固态电池。

二、半固态的第二问:半固态电池能否大规模装车?

技术研发切忌自嗨,评判技术价值的第一标准:能否解决用户需求。

目前终端市场针对纯电车型主要有两个需求:

补能时长缩短;安全性提升;

为什么没有说续航问题?

因为从2023-2024年市场表现看,大部分纯电用户,已经逐渐认可了400-750公里这个续航区间。

根据2023年20万以上纯电市场销量(20万以下产品搭载半固态产品可能性极低,暂不统计),销量第一的Model Y三个配置续航区间为554-688公里;销量第二的比亚迪唐EV三个配置续航区间为600-730公里。

而在2023年试水千公里续航的热门产品有一个——极氪001。从售价来看,极氪001 WE版 140kWh千里续航套装指导价为403,000元,而与其相差40度电的100kWh版本指导价为300,000元。

40度电,差了10万。

并且在低温工中,即便是标称续航破千。但在冬季,其实际里程与普通动力电池相比到底能领先多少,还得打个问号。

因此,花10万去买一个不确定的三四百公里续航里程,实际意义并不大,也打动不了用户。

(极氪001千里续航套装版本补能页面 图片来源:极氪汽车)

我们虽然无法得到极氪001 千里续航套装版本的准确销量,但极氪取消了该配置,也间接说明了终端消费者对于超长续航所带来的成本抬升,是不接受的。

并且,极氪001的千里续航所搭载的是宁德时代的麒麟电池量产版本。液态电池冲击1000公里续航,落地到整车BOM成本变化都如此明显,那半固态电池的成本抬升更是“不忍直视”了。

在价格战厮杀激烈的当下, 如果车企上车半固态产品,抬升的成本费用估计也只能自己与电池企业承担。

上文我们就提到,半固态电池的成本在1800-2500元/kWh之间(取中值2150元/kWh),假设半固态电池包为100度电,估算成本则为21.5万元。

而截至今年7月,市场主流三元中镍电池包成本约为710元/kWh,假设三元中镍电池包为100度电,估算成本为7.1万。

14.4万元的成本差,在车企自担成本的背景下,主推搭载半固态电池的产品,假设平均月销5000辆,那么这个车企单车型电池侧的单月成本,就要比同行高出7.2亿。

这种自杀式抢夺市场份额的手段,到底谁在用?

成本过高的同时,续航又无法有实质性的跃升。半固态电池,从当下看必然无法实现规模上车。

但也有人认为,半固态电池贵有贵的道理。那么针对纯电车型的“安全”与“补能速度”这两个主要市场痛点,半固态电池解决了吗?

三、半固态的第三问:解决了终端用户的什么需求?

中国科学院院士欧阳明高就曾公开表示:

“如果有人告诉你,这个车能跑1000公里,几分钟能充满电,还很安全,成本又很低,那大家不要相信。”

当然,半固态产业认为欧阳院士的这个观点对部分产品过于苛责:

“你这既要又要,肯定实现不了。”

但我们回看液态电池这么多年的发展历程,不都是三条腿走路吗?

通过成组结构、材料改性提升性能;

通过产能规模、能量密度摊薄度电成本;

通过内部冷却结构、电池包结构提升安全。

因此,如果半固态电池真要想替代液态锂离子电池,那么就要在成本、性能、安全性这三个方面同时做到大幅度领先。但这三个点,半固态电池哪个也没解决,反而是在成本方面做到了反向的“遥遥领先”。

肯定有人会说,这是个新技术,产能目前较低,降本能力比较有限。

产品解决用户需求,需求决定产品产能。

半固态电池解决了当下终端用户最期待的“安全性”与“补能时间”问题了吗?

先说结论:没有。

根本原因还是电解液含量与固-固界面问题。

首先看补能时间,如果半固态电池将电解液含量降到10%以下,提升了电池的安全性,但固态电解质的界面问题又会出现,进而影响充电倍率。

界面问题为什么会影响电池充电倍率?

在这里引出一个电池的基本概念——阻抗(描述电路中对电流阻碍大小的值,可以简单类比为电阻值)。

我们上文提到了“两张纸”的类比,固态电解质与正极材料是两个固体的物理接触,虽然在制备过程中可以对二者施加外力让其紧密结合,但是距离二者“最紧密结合”的状态相差甚远。

因此,固态电解质与正极所在的极片之间,存在一个一个的小“空穴”,而且在循环过程中,随着正极活性物质的体积变化,这些“空穴”会逐渐增多,进而两种物质的接触紧密度会越来越低。

两种固体物质的接触不紧密,产生了界面电阻,也就是“阻抗”。阻抗增大,离子电导率变差,因此电池的倍率性能就越差。

反映到电池包层面,就是充电速度变慢。

当然,为了解决电池倍率问题,当下半固态的主流解决方案是:

提高电解液含量。

那么这时安全问题又出现了:

半固态电池将电解液含量升高到10-15%,这不又成液态电池了?液态电池所存在的安全性问题,又被半固态电池“毫无保留”的继承。

明明是液态结构,却硬给自己戴个半固态的帽子;

实际生产升高电解液含量,但对外又说电解液含量在不断下降。

脑筋急转弯呢?

结尾

半固态这种“创新”产品,也正在反映出二线电池企业的挣扎与二线车企的营销焦虑。

对于某些车企而言,对半固态电池的表述含糊其辞,用文字游戏哄骗用户,尽管得到了一时的关注度,但是当用户无法切实体验到技术升级的便利性,那么这种营销手段到头来只能反噬自己的品牌形象;

对于二线电池企业而言,工程能力是在规模制造中不断累积的。颠覆性创新技术的底座,是生产经验与量产规模经验,这一定律在新能源汽车市场更是如此。

大家可以看到美国固态电池三剑客Solid Power、SES、Quantum Scape,这么多年,依旧没有商业化量产的明确信息。中国台湾的辉能科技更是如此,从一个固态电池研发公司逐渐沦落为“营销”公司。

在新能源汽车降本近乎疯狂的阶段,凭借一款成本极高、但技术又无重大突破的产品,挤入车企的供应链,有什么意义呢?或者,半固态厂商当下应该思考一个问题:

自己的产品,在成本敏感的动力电池市场,有多少竞争力呢?

(图片来源《锂离子电池过往与未来》,作者索鎏敏、李泓)

对于市场而言,30年的时间,锂离子电池的能量密度以每年8%的速度艰难前进。能改变市场格局的技术,一定是艰难又漫长的,大家对于半固态电池的关注度,也反映了市场对于全固态电池的期待。

多年来大家被整车企业的“全行业第一”“、**领先”这种营销词汇逐渐带偏,但技术革新不是玄学,还请给固态电池的问世一些时间。

借用小品大王的一句台词来形容当下的半固态电池:

“你穿个马甲我就不认识你了?”

0 阅读:0

衣衣谈汽车

简介:感谢大家的关注