一把大火,烧出了锂电池的去路

整个7月,关于车用固态锂离子动力电池的新闻,可谓层出不穷。

首先是本月7日,日本经济新闻与东京研究公司Patent Result合作,完成了一份全球范围内全固体动力电池的调查报告。该报告基于企业间对相关专利的掌握,认为日本企业已处于全面领先优势,且前十强名单中,日本企业占据了六家之多,并以丰田握有1331项居于首位(第二位松下公司,掌握了445项)。

这个报告最初由日经中文网微博公众号发布之初,国内舆论多少有点懵逼:就在被迫放弃氢能转向纯电之际,看似在车用新能源领域大败亏输的日本企业,已经在不知不觉中暗暗布局,又远远跑去前面等着大家了?

▲ 蜂巢能源展示的固态电池样品——尚处于实验室阶段

随后则是19日,蜂巢能源全固态电池实验室研发出国内首批20Ah级锂硫化物全固态原型电芯。按照蜂巢官方放出的数据,该系列电芯能量密度达350-400Wh/kg,并且现已顺利通过针刺、200°C热箱等实验。

企业方面非常乐观地认为,该产品一旦量产应用,则现有纯电汽车可在不进一步增大电池包的前提下,实现1000公里以上的续驶里程。

蜂巢能源的官宣,实际上是受上月25日,宁德时代董事长曾毓群于重庆车展期间颁布颁发完成了锂硫化物固态电池的刺激。

至于第三件新闻,则是发生在上周五(22日)的一桩惨剧——众多70、80后年轻时的偶像,被戏称为“冻龄青年”的台湾地区前偶像级歌手,现专业赛车手“亚洲小旋风”林志颖,在携幼子驾车出行时,突发车祸。

林志颖亲自驾驶的特斯拉2021款Model X,在撞击路中央分流岛后,起火燃烧整车焚毁。

值得注意的是,作为当今性能最强大的量产纯电汽车,特斯拉Model X配备了能量密度颇高,但在安全性上一直遭到诟病的三元锂电池。

而上述新闻在彼此映照之后,其实已经无疑地反映出了纯电汽车的下一阶段发展趋势——为了追求更好的安全性以及更高的性能,动力电池的固态化,已俨然成为一种趋势。

01 固态的巨大价值

所谓“固态”,实际指的是将锂电芯的电解液,替换成固态物质。

一般而言我们以技术路线划分,其主要分为三类:锂硫化物、高温聚合物,以及锂氧化物。

日系企业,例如丰田、松下等,外加国内新近颁布颁发研制成功的蜂巢能源、宁德时代,走的均是硫化物路线。而法国的博洛雷集团(Bollore Group)以及国内的电池巨头比亚迪,则主要致力于聚合物路线的探索。至于氧化物路线,英国的ILIKA公司,已经在此领域深耕多年。

在改用固态电解质后,锂离子动力电池在性能和安全性两个主要方面,都将获得巨大的提升。要解释这个问题,就需要从锂电池的工作原理上来进行理解。

众所周知,锂离子电池是一种典型的“摇椅电池”。

充电时,正极上的锂原子失去电子,被氧化成了锂离子(脱嵌),然后在电解液中运动,跑到了负极,与流经外部电源的电子互相结合,又还原成了锂原子,嵌入到了负极碳层的微孔中。

放电时,则是一个逆向的一个过程——嵌在碳层负极中的锂原子,失去了电子,被氧化成了锂离子,回到电解液中,运动到了正极,与流经负载的电子结合,再度还原成了锂原子(嵌入)。

在这充放电的过程中,锂以离子态完成了从正极到负极材之间的往返脱嵌,像极了一把摇椅周而复始,来回摇摆。

电解液是电芯内不成或缺的物质,而通常,这是一种液体。那么,将其替换成一种同样能导电的固体呢?这会带来两个主要标的目的上,众多的优点。首先,便是能量密度的大幅度提升。

在现有常规锂电池上,正极材的选择往往具有局限性,通产无法选择电压更高的材,而局限在4.45V范围内。因为过高的电压,可能导致钴酸锂电解液发生氧化,并使得正极表面产生不成逆的相变。

▲ 采用电解液的圆柱形锂电芯构造

而如果是固态电解质,那么就能用提高电池能量密度的高电压正负极材,比如可以提高到5V甚至更高,于是电芯的极限能量密度也随之得到提升。

负极材也是同样的问题。随着固态材的替代,电池负极材甚至可以选择采用金属锂。而对应硫化物正极材,电池的理论能量密度可较之现有最好的三元锂电池至少翻两番。

当然,固态化对能量密度的提升,不仅仅表现在化学性质层面上。

由于电芯内部不再含有高度活跃的含锂液态电解质,即便正负极隔膜被刺破后,也不会由于电解质渗入两极而迅速发生短路。因此,电芯的壳体实际可以选择更轻的材。从而减轻了电芯的质量,显然就是提升整个电池包的能量密度。

▲ 以固态电解质替换电解液后,电池形状也可以从卷绕的圆柱形,改成扁平的矩形

在能量密度进一步提高之外,安全性高无疑是固态电池的另一大优点。其重要性,甚至可能还超过前者。

正如上文提到的,正如蜂巢能源对自产固态电池测试的结果——当不测发生电芯破裂时,由于电解物质为固态,所以困扰锂离子动力电池长久以来的“短路-发热-爆燃”连锁反应,更笨无从发生。在现有的实验室测试中,所有样品均通过了严苛的挤压、加热、针刺测试。并且在上述测试过程中,均未见到短路并且由此产生的爆燃问题。

此外,固态电池过充后并不会和液态电池那样释出锂晶枝,也就没有了刺破正负极绝缘薄膜,进而引起短路的风险。

▲ 比亚迪提出的固态电池包方案,比柱状电芯更加紧凑

最后,由于电池内的固态电解质不会挥发也不易燃烧,能够有效避免液态电池在拆解时的泄漏问题,不单环保并且利于回收再利用。

02 必然的前景和未知的过程

当然,上面说明了固态电池的种种好处,却也不能忽视其当前面临的问题。而这些细节,是许多企业在振奋人心的通告中,鲜有提到的。

首当其冲的,无疑是固态相较液态的各种“原罪”。

正因为电解质换成了固态,其电导率天然低于液态电解质,随之而来的高界面阻抗也必然会影响到锂离子,在界面之间的正常穿越。

而较之液态电解质,固态材一旦与正负极贴合不良,必然导致电芯的界面相容性变差。这种贴合不良是必然会发生的——在电芯充放电过程中,电芯内部会随着活性物质的性变呈现4%摆布的膨胀与收缩。在此状况下,界面分离是必然会发生的。

▲ 几种全固态电池的基本结构适宜。膨胀问题,可以通过改善结构来缓解

目前,有关固体电池开发的三个主要标的目的:聚合物、氧化物,以及硫化物,均各有其优缺点。更有一个关系到其能否从实验室走向工厂的关键——工艺问题。以蜂巢能源公布的硫化物路线为例,尽管我们还不知道其固态电解质的细节,但若与日本企业类似,则硫化物电解质的处理和加工,显然同样需要依赖惰性气体环境。

这就意味着,其无法利用现有的液态电池生产线来进行转产。而使用新的工艺建造全新的产线,也意味着海量的投资,以及对现有体系的推倒重来。这对现阶段的动力电池产业而言,也就代表着巨大的沉没成本。

解释了固态电池的巨大优势,那么让我们回过头来说一说日经的相关报道。

按照日经与Patent Result合作完成的报告,当今在技术层面上具有最大优势的,无疑是日本的丰田公司,毕竟其以1331项专利,碾压位列第二的松下公司。而后者的445项专利,仅占到前者的39.3%。

▲ 图源见水印

实际上,放眼整个榜单,位列前十的实际就是日(6家)、韩(4家)企业罢了。这很难不让人想到日经关于纯电汽车专利竞争力排名的另一份榜单。

在那份2021年的榜单中分列第一、第二位,别离是拥有8363项专利的丰田,以及6564项专利的福特。而排在第三、四位置的本田(3849项)和通用(3283项)同样和第一名拉开了较大的距离。

但是榜单是一码事,现实世界中的新能源汽车产销数字则是另一码事了。毕竟,2021年交付93.6万辆纯电汽车的特斯拉,才排名第八,专利数字区区1741项。至于排名第二,全年交付58.4万台新能源汽车(包罗纯电和混动)的比亚迪,甚至没能出现在这总共20名的榜上。

▲ 都这个份上了,日本媒体还靠玩文字游戏来“涨自家志气”,其实非常的没必要

对于这两份报告所罗列的专利数字,笔者无从查阅其中实用新型专利和外观设计专利的比例,甚至连统计数字本身都无从核验。而往好处推测,在充斥着大量设计专利以外,日本企业实际很可能是将一切在企业实验室里完成的技术,统统申请了专利。

但这就意味着一个新的问题。专利的本色,是公开自身的方案,并通过相关法律获得庇护。但这也就意味着,在世间所有的竞争对手面前,提前亮出了底牌。而又因为日企目前并未广泛与全球各商业对手进行沟通和技术交流,此举可以简单视为提前布局专利壁垒。

而放眼世界,全球新能源汽车的主要市场,无非是中、美、欧三家。除去美国和欧洲,中国目前也发展出了较具竞争实力的主机厂。日企的这番操作,与其说是用专利困死对手,不如说提前把本身圈进了墙内。

既然日方已经明牌,并且历史经验告诉大家,这是一群无视市场状况和自身现状,对知识产权咬死不松口的“铁公鸡”,那么顺着他们圈出来的技术路线绕而行,显然是业内其他玩家最明智的选择。

于是,昨往日历史仿佛重现。

十五年前,日本举国贸然布局氢能,并将制氢、储氢以及氢燃电池堆的全部专利统统雪藏;十二三年前,丰田同样也在“双擎”系统行星齿轮方面的死不松口,坚决不肯意和同行分享技术的景象。

▲ 丰田汽车大名鼎鼎的行星齿轮技术

于是,美、欧以及中国,不约而同地忽略了氢能路线,步调一致地选择了纯电。至于那些同样致力于混动的车企,例如中国的比亚迪以及日本的本田,被迫斥巨资走出一条本身的道路,最后性能卓越的DM-i以及iMMD,便是各方对“守财奴”的最有力回答。

“17寸大银幕,触觉反馈Yoke标的目的盘,换挡改在银幕上,后座的小银幕很可爱,X的后座更加地舒适了,整体操作速度真的快。”

2021年初,当林志颖满怀欣喜把弄最新款三电机版ModelX的时候,根本未曾想过本身以及幼子,一年多后会遭此一厄。

就在上周五(22日)的上午,在台湾地区桃园市中正北路上,林志颖驾着他那台曾经满怀期待的“1020马力、0~100km 2.1秒的加速”性能怪兽,遭遇险境。

毫无征兆地,行驶中的车辆突然歪向一侧,一头撞上了道路中央的分离岛。

从后来流出的监控视频中清楚了解之后的惊险一幕:

撞击发生仅仅36秒,这台曾经堪称豪华纯电汽车代表的Model X,便开始喷出浓烟,燃起熊熊大火。

而不幸中的万幸的是,就在车辆爆燃前6秒钟,撞伤昏迷并被困在车内的林志颖父子,已经被一群赶来施救的路人,奋力拖出了残骸。号称“冻龄”的亚洲小旋风小子与其年幼的儿子,在这场惨剧中受伤轻微。

▲ 整个前车身已经烧成了“渣”

“暂时不能确认起火原因,若遇到紧急情况,主副驾驶有机械开车门的装置,可在断电情况下强制解锁车门,后排乘客可通过后备厢逃生。”

特斯拉的客服,在回应记者就此事件询问时如此表示。同时其还强调称:特斯拉(汽车)驾驶位附近并无易燃材质。

然而这并非事实,因为就在驾驶位的正下方,乃至于整个乘员舱的正下方,为这台2.45吨巨兽那1020马力澎湃动力提供能源的100kWh电包,就在这里。

▲ Model X“扎实”无比的底盘,100度电电池包占去了一多半的重量

撞击分离岛的巨大动能,瞬间劈开了整个车头,击破了电包脆弱的外壳。泄漏的电解液在极短的时间内引起短路,释放大量热能,最终点燃了整个前车身。

笔者无法想象,这起变乱如果发生在人迹较为罕至的地方,车内这对父子将会迎来怎么样可怕的命运。

无论是基于安全还是为了追求更好的车辆性能,现在是到了去认真考虑并且规划固态电池商业化运用的时候了。

“C次元”(ID:C_world2021),作者:Poinko,经。

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