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固态电池“中场战事”:丰田向左,大众向右
发布时间:2019-11-21 20:23:20文字选择:    

2019年,火灾和自燃事故成为电动汽车的又一个“亮点”。仅在中国,两个月内就报告了七起自燃事故,这无疑将动力电池引发的安全问题推到了最前沿。

但是对于电动汽车来说,追求更高的电池能量密度和更长的行驶里程也是必要的。尽管“动力电池无法完全消除安全隐患”已成为公认的事实,但一批又一批高密度、高耐久性的产品将不可避免地接踵而至。

在本次法兰克福车展上,高耐久性纯电动汽车再次成为人们关注的焦点。其中,大众品牌电动汽车的“诠释方法”无疑是最大亮点之一。330-550公里范围内的新id.3表现不错,但对公众来说,这仅仅是个开始。固态电池技术的质的飞跃已经清楚地反映在公众的电气战略表中,但要完全实现商业化还需要一段时间。

这一声明让我们想起似曾相识,因为在此之前,日本汽车制造商丰田也表达了类似的观点,认为固态电池是未来的主要攻击方向。因此,我们不禁要问,这是否意味着固态电池已经代表了电动汽车的未来?就安全而言,它的本质是天使还是魔鬼?它的到来会给新能源汽车产业带来光明还是阴霾?

什么是固态电池?

如果你想找出这些问题,你必须从动力电池的发展状况入手。根据对电池物理结构的分析,当前技术涵盖的电池形式主要分为四种:

液态/凝胶态电池是指它只含有液体电解质,半固态液体电解质的质量百分比小于10%,近固态液体电解质的质量百分比小于5%,半固态不含有任何液体电解质。

从技术进步来看,目前市场上销售的纯电动汽车中使用的绝大多数锂离子或锂聚合物电池都是液态/凝胶态电池,但由于正极材料的不同,它们被分为不同的电池类型,如nca和ncm。然而,这些元件的不同特性将决定不同类型电池之间的能量密度差异。

随着技术水平的不断提高,自2019年以来,越来越多的车辆配备了能量密度更高的ncm811电池。

811是什么意思?这三个数字指的是三元锂电池正极材料中镍钴锰或镍钴铝的比例为8∶1∶1,因此811电池是三元锂电池的细分型。

应该解释的是,在三种元素中,镍的比重越高,电池的能量密度越高,但是镍也是具有高金属活性的元素,所以其比重越高,电池的安全性越低。钴元素在三元锂电池中也起着至关重要的作用。钴元素可以提高电池的稳定性,延长电池的循环寿命。

基于以上信息,可以看出最先进的811电池具有低稳定性和高能量密度的“双重人格”。虽然它能暂时满足汽车制造商对汽车里程的需求,但其安全性必然是一大隐患。此后,除了按照特斯拉nca(a为铝)三种元素9:0.5:0.5的比例升级之外,这种传统的三元锂电池也很难有更多的改进空间。权衡利弊后,新电池技术的发展自然成为技术专家的主要方向。

既然有数百种电池,为什么每个人都选择全固态电池?

头彪军发现,与目前的液体电池相比,全固体电池具有明显的优势,特别是在安全水平上,液体锂电池过充电过快会产生“枝晶”,刺穿内部隔膜会导致电池短路和火灾爆炸的危险。理论上,固态锂电池可以避免这种危险。

原则上,其固体电解质的密度和结构允许更多带电离子在一端聚集并传导更多电流,从而提高电池容量和能量密度。

此外,固态电池的优点可以总结如下:

1)长循环寿命

2)宽工作温度范围

3)柔性薄膜

4)方便恢复

5)快速充电

6)与电极材料的良好兼容性

7)防潮环境

相应地,全固态电池的缺点只是高成本和低容量以外的因素。

丰田和宁德引领了固态电池研发的时代。

尽管全固态电池产品有许多优势,但迄今为止还没有企业能够将这一技术付诸实践,从而显示出其研发中的挑战。一个更引人注目的例子是,尽管世界上有许多机构在进行固态电池的研究,但它们之间在研发进展上仍有很大差异。

据不完全统计,全球50多家制造企业、初创公司和高校科研机构致力于固态电池技术。其中,中国高校发表的sci论文位居世界第一,日本占世界国际发明专利的一半以上,丰田在拥有26项专利的单一机构中位居第一。此外,在欧洲和美国,专门从事这一领域的初创公司的数量正在逐渐增加。

如果按地区划分,固态电池的海外发展主要集中在法国博洛雷、美国萨基特3和日本丰田这三大巨头。其中,法国的博洛是最古老的。

早在2011年10月,bolloré就开始使用自主研发的电动车“蓝色汽车”(bluecar)和电动公交车“蓝色巴士”(bluebus)在巴黎及其郊区提供拼车服务“autolib”。在过去几年里,他投资了3000块batscap生产的容量为30千瓦时的固态电池,但没有在乘用车领域发起进攻。

美国sakti3致力于电池技术的研究已有20年,拥有70多项专利。2015年10月,真空吸尘器创新者戴森(Dyson)以9000万美元的价格全部收购,以解决其产品中使用的可充电锂离子电池电池寿命不足和安全性有限的问题。

目前sakti3最大的问题是采用薄膜沉积工艺制造技术,这使得其成本居高不下,未来降低成本的可能性不大。因此,在现阶段,其产品只能用于小型家用电器。

与欧洲和美国不同,日本采用了由38家机构联合开发全固态锂电池的方法,丰田是其中的佼佼者。该项目于2018年4月启动,预计总投资为100亿日元。该联合组织包括丰田、本田、日产和松下等23家汽车、电池和材料企业,以及京都大学和日本科学化学研究所等15家学术机构。计划到2022年掌握全固态电池相关技术。在世界上,这个最大的联合组织通常是最受青睐的。

在国内,以宁德时代为首的“五小龙”(宁德时代、江苏陶青、嘉威公司、甘丰锂工业、北京卫兰)已经对全固态电池进行了深入研究,但它们的发展路径却大不相同。

Catl以硫化物电解质为主要研究方向。目前,容量为325 mah、能量密度为300 Wh/kg的聚合物锂金属固态电池在300次循环后仍有82%的剩余,但由此也可以看出,与实际商业化仍有一定差距。

中场正在靠近,固态电池的出路在哪里?

既然不是每个企业都是独一无二的,那么固态电池大规模应用于大规模生产电动汽车还有多远?在这个问题上,不同的东道工厂给出的答案是不同的。

▲迪斯,奥迪股份管理委员会主席

“保守派”就像大众一样。奥迪公司(audi ag)管理委员会主席迪斯(Dis)在接受app采访时明确表示,全固态电池的大规模生产或工业生产计划将在2023年至2024年间实施。虽然还有几年的时间,但这符合奥迪公司的整体发展步伐。

▲大众品牌电池卓越中心主任弗兰克·布鲁姆

在技术领域,大众品牌电池卓越中心负责人弗兰克·布鲁姆(frank blome)更加保守。他坦率地向在场的媒体承认,他坚信有一天固态电池会上市,但迄今为止,公众尚未就电解质材料做出最终决定。因此,固态电池的生产或将其引入整车最早要到2025年。

丰田等“激进分子”。在丰田的电动战略下,也就是说,包括雷克萨斯车型在内的所有丰田车型到2025年都将由新能源驱动,丰田执行副总裁兼研发负责人茂正树(Shigeru Masaki)公开表示,新型固态电池的研发步伐将逐步加快,预计将在2020年夏季奥运会前正式推出市场。

这个计划至少比公众领先3年。然而,似乎仍然没有结论,它是否可以实现预期。

事实上,与欧美初创企业相比,丰田更早地探索了固态电池领域,并投入了更多的能源。经过多年对硫化物固态电池的研究和开发的坚定关注,丰田已经通过基础技术将全固态电池的体积功率密度提高到约2.5千瓦/升。与此同时,体积能量密度已经成功地增加到大约400瓦时/升,相当于大约2010年锂离子电池(lib)水平的2倍。

然而,实验数据不能直接等同于商业化。今年6月,丰田汽车公司宣布与中国电池制造商宁德时报合作,加快向电动汽车的转变。至于合作项目,固态电池是其中之一,这似乎更有趣。

据知情人士透露,丰田固态电池研发进展极有可能不如预期,甚至可能不理想,至少在短期内无法实现大规模生产。然而,这与宁德时代有着直接的联系,认为这是中国团队科研实力的结合。在提高了竞争优势后,丰田并没有像预期的那样在2020年完成技术着陆。

相比之下,公众似乎在固态电池的发展上落后了,但事实上,他们更早就已经探索了商业模式。

为了摆脱亚洲电池制造商的依赖,获得电池领域的领先技术,大众汽车今年6月宣布将向加州科技公司quantumscape投资1亿美元,共同建立一家合资企业,研究固态电池技术。大众派出一名高管担任quantumscape的董事会成员。根据该计划,双方实施固态电池的时间点是2025年,这与弗兰克·布鲁姆(frank blome)所说的时间点一致。

值得一提的是,早在2014年12月,大众就已经持有quantumscape 5%的股份。这一次大众又注入了1亿美元,大众集团已经成为quantumscape的最大股东。这也表明大众集团已经掌握了固态电池的“主动权”。

同时,在电池供应的各个方面,大众集团始终坚持“两条腿走路”。在确保集团内建立研发机构的同时,它还与供应商保持合作,并与northvolt等合作伙伴建立合资企业,生产电池。事实上,这些在确保电池供应方面发挥着关键作用。然而,至于联合联盟能否令人意外,最终将取决于每个企业的研发进展。

总而言之,在技术真正落地之前,所有的结果都是不确定的。

头条说:总体而言,固态电池制备技术的成熟度仍需加强,能够形成大规模生产能力的企业数量有限,技术的大规模生产扩张仍有许多困难需要克服。从业界公认的“半固态电池将在2021年商业化”的观点来看,全固态电池似乎离我们很远。

然而,无论是丰田的2020年计划还是大众的2025年协议,两家进展不同的公司已经解释了一个问题:在未来的电动汽车中,高概率将是固态电池技术的产物。

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