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聚焦丨固态电池的战争

导读: 曾经很多年时间里,锂电池的主要应用领域都是消费类电子产品。不过这种情况从2013年开始发生逆转,伴随着全球范围内新能源汽车的迅速崛起,动力电池产业突然变得炙手可热并充满诱惑起来。

2016年12月,英国顶级学术期刊《Energyand Environmental Science》(《能源与环境科学》)刊发了一篇名为《Alternative strategy for a safe rechargeable battery》(《安全充电电池的替代策略》)的论文。

论文称,德州大学奥斯汀分校科克雷尔工学院的约翰·古迪纳夫(John Goodenough)教授领导的团队发明了一种快速充电的低成本全固态电池,解决了当前困扰电池行业的诸多痛点,具备不易燃烧、体积能量密度高、循环寿命长、充放电速度快等诸多优点。例如这种电池在1200个充放循环之后只出现极小的损耗,并且能够保证在 60℃~﹣20℃的温度区间正常工作。

此文一出,立刻在世界范围内的能源、化学、物理学界以及整个电池产业界引发了一场轩然大波。

原因有二:

1、该文的第四署名作者——古迪纳夫教授的特殊身份:他是“锂电池之父”,锂充电电池的发明者,全球电池界的泰斗,被称之为是当前整个科学界“高耸入云”级别的人物。这位今年95岁高龄的老教授至今活跃在教学和科研的第一线,作为电池领域内的顶级专家,其每个举动都备受业内关注;

2、古迪纳夫的研究成果竟然是错误的!其理论依据甚至违背了最基本的热力学第一定律!但奇怪的是,所有业内人士出于对古迪纳夫的极度尊重,全部选择揣着明白装糊涂的态度,在心知肚明的情况下集体选择了保持沉默。

沉默在一年之后被打破,美国普林斯顿大学的研究员Daniel Steingart同样在《能源与环境科学》发表了一篇名为《Commenton “Alternative strategy for a safe rechargeable battery”》的文章,公开对老前辈的研究成果提出了质疑,并针锋相对地提出古迪纳夫提出的的反应机理是错误的,“从热力学的角度这显然是不可能发生的”。

出头鸟一叫,换来学界一片叫好声。古迪纳夫老爷子在锂电界的地位可以说无人能及,对此,老爷子只是淡淡的一句“我们没有违背热力学的第一定律”以示回应。

这位在1991年与索尼公司联合开发出世界上第一个商用可充电锂离子电池,推动了人类社会电子革命进程的老人终究在鲐背之年晚节不保。

据一位接近事实真相的人士向建约车评透露,一辈子淡泊名利的老爷子这次是被那篇备受争议的论文的第一作者,M. H. Braga(一个来自葡萄牙的女学者)给忽悠和利用了。

以上所述的学术间的争论,只是今天锂电池产业的冰山一角。实际上,学术上的争锋,远没有商业现实中的战争精彩。

自诞生以来,被认为是和晶体管发明有着同等重要地位的可充电锂电池产业的从业人员,在过去、现在和未来都一直面临着两大挑战:安全和能量密度。

曾经很多年时间里,锂电池的主要应用领域都是消费类电子产品。不过这种情况从2013年开始发生逆转,伴随着全球范围内新能源汽车的迅速崛起,动力电池产业突然变得炙手可热并充满诱惑起来。

未来,新能源汽车将是锂电池应用的最重要领域。

有分析预测,全球动力锂电池市场将继续迅猛增长,预计至2022 年,总需求量和市场规模将分别达到54.9GWh 和267 亿美元,未来十年年均复合增长率分别可以达到37.0%和31.6%。

在中国,仅2016年一年时间就卖出去了605亿元的动力电池,2020年的这个数字将再×3。若以1.5 元/wh 的均价进行测算,未来5年我国新能源汽车动力电池市场规模将达3363 亿元。

《福布斯》预计20年后,全球动力电池市场的价值将达到2400亿美元。

然而,在这一轮新能源汽车大潮中享尽红利的磷酸铁锂电池和三元锂电池,却逐渐显露出难堪大任的尴尬。受制于现有体系架构和关键正极材料影响,现有体系的锂电池的能量密度基本上很难突破300Wh/kg。其中磷酸铁锂电池单体能量密度以难超过140Wh/kg,规模化的三元锂电池单体能量密度最多做到220Wh/kg,实验室里的的上限是300Wh/kg。

未来新能源汽车产业发展的主要矛盾,将集中在人们对续航里程日益增长的美好向往与动力电池能量密度增长缓慢之间的矛盾。

在中国,政府将未来若干年内动力电池的技术目标定在2020~202年要实现单体能量密度300Wh/kg~400Wh/kg。显然,不论是磷酸铁锂还是三元锂电,都难堪此大任。

在美国,美国能源部专门成立了新一代电池的研发组织——能源存储联合研究中心(JCESR)。JCESR雄心壮志地表示,“将像曼哈顿计划那样,集中投入人才和资金,在5年内开发出能量密度达到5倍、价格降至1/5的蓄电池”。

传统的锂电池技术(磷酸铁锂和三元)受制于液态电解质,难以兼容金属锂负极和新研发的高电势正极材料,从而使能量密度的上升存在瓶颈。在安全方面还会造成短路引燃、离子浓度差增大电池内阻、电极材料持续消耗等问题。

所以在这个时候,作为“下一代锂电池技术”,固态电池以其天生具有的高离子电导率和机械强度、宽电化学窗口和工作温度区间,成为人们梦寐以求的能量密度高、循环性强、安全性高、充电时间短的理想对象。

进入视线的固态电池虽然看似比较靠谱,但却还存在着许多难以攻克的技术难题,距离其大规模量产也还需要一段时间。

但这依旧难以扑灭全球上百家各式机构疯狂进军固态电池的热情。在这些机构中,既包括传统汽车巨头、新进造车公司,汽车零部件巨头,电池生产企业和上游原料商,还有有着学术背景的科研院校,有着政府背景的研究所,甚至是军方资助的神秘机构。

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