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几家欢乐几家愁? 剖析固态电池技术路线

来源:中投投资咨询网 2018-05-11 11:45中国投资咨询网 A-A+

  全球先进国家对零炭排车的追逐日趋火热,新能源车规格的需求已日渐明朗,但现今锂电池技术发展迟滞对续航里程及安全性的钳制使得新能源车的升级缓步不前,眼见国标(比能量300Wh/kg@2020)大限将至,液态锂电比能量受限于先天安全性问题(260Wh/kg已证实无法控制安全性)而无力再攀升,更别提2025年的350Wh/kg。长远目标眼见难成,近期又一次次发生新能源车触目惊心的电池起火意外,逼得宝马、丰田等国际车厂各个猛虎出闸,不论投资、合资或共同开发,只为抢先一步与电池技术的下一块乐土“固态电池”进行战略上的捆绑。

  然而,各业界翘楚在固态电池的投入已有约20年历史,却依旧处于混沌未明的状态,电池厂各踞山头信仰不同的电解质体系,未出现技术流动或融合的态势,其中有的成功量产,有的不断推迟研发路谱,豪掷了亿万美元后黯然离场的更是时有所闻,天堂地狱般的落差导因于各电解质体系间本质路线的差异,在稳定性、电性表现与量产上有着以现代科技水平不可逆的先天性优缺点,我们依制程及化学系统将电解质分为六大类:氧化物、硫化物、氰化物、卤化物、薄膜、聚合物,列举四大技术路线说明其发展现况:

  固态聚合物

  拜液态聚合物发展已成熟之赐,固态聚合物电池的量产能力已与液态聚合物相去不远,但存在着稳定性不佳导致电性可靠度差,再加上常温状态下离子导电性不佳,电池性能因此大打折扣,甚至产生低于10-4S/cm难以运作的状况。

  早先法国Bolloré集团采用BatScap电池投放于城市网约车,却必须持续性将电动车电池加热至60°C以上来维持电池内部的导电能力。德国零组件巨头Bosch博世集团于2018年初也不得不宣告放弃对Seeo的投入;近期最受瞩目的便属固态聚合物电解质制造商IonicMaterials,已获得三星SDI、Dyson、万向等集团的投资,或许近年能有样品问世。

  氧化物薄膜

  薄膜电池厚度可达微米等级,曾被视为医疗及穿戴市场的最佳解决方案,但其类似半导体溅镀式生产工艺,设备费用不赀,对环境要求极高、良率低,因此量产不易且成本十分高昂。

  美国IPS于2008年即做出全固态薄膜电池,2014年被Apple收购,至今却未有任何产品发表;另外Dyson戴森集团投入Sakti3则是2015年固态电池市场最红火的消息,却于2017年宣告放弃Sakti3的所有专利,转向投资固态聚合物厂寻求快速切入市场。以此看来,薄膜电池的量产商用化路程尚待观察。

  硫化物

  导电能力虽佳,稳定性不佳却是最大的短板,连带影响氧化及还原之稳定性也偏低,制程工艺复杂,更与锂电池制程相去甚远,故硫化物体系投放资源极高。

  Toyota、SamsungSDI及CATL纷纷投入此体系之开发,Toyota预计其研发的硫化物固态电池2022年可投入商用;韩国电池大厂SDI在硫化物技术路线上虚耗十几年研究后,于今年初转向固态聚合物路线,硫化物之路究竟通不通,只能以时间来证明。

  氧化物

  氧化物的稳定性最高,可在一般大气环境下以相对低廉的工艺设备及厂务设施生产。

  Sony,Ohara与辉能科技作为此技术路线之代表,其中又以辉能科技十年磨一剑的功力,率先克服氧化物其导电性较差,生产时氧化金属堆栈后易脆,弯曲会破裂等问题,成功达到『12分钟快充』与『可动态弯曲』的固态电池商业化,并应用于HTC、SoftBank等品牌产品中,目前已与中国、欧洲、日本之数家车厂共同布局固态动力电池市场。

  结论

  目前各单位对固态电池的掌握度还不高,愿意分享的更少,因此电池厂对技术路线的选择就像是一场无法回头的探险,每条路上各有不同的障碍待克服,出发前只知道理论上的优缺点,但一路披荆斩棘后见到的会是死路、活路还是更颠簸的漫漫长路却无人能知。我们只能从业界动向来推测,目前步调最快的属氧化物体系,其次为固态聚合物,近年内应能有成果问世;硫化物与薄膜电池在商用化之路是否可行,至少还需观察5年,而氧化物体系现已有辉能正式进入商业化量产。

关键词:固态电池
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