鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：952次 | 2021年12月20日
全新固態(tài)電解質(zhì)的問世成功將電池原材料成本降低至1.38美元/平方米
近日，一種鋰電池固態(tài)電解質(zhì)新材料——氯化鋯鋰的問世，成功將50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，而此前最廉價(jià)的氯化物固態(tài)電解質(zhì)相對(duì)應(yīng)的成本為23.05美元/平方米。
這種新材料由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授馬騁團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成，該材料克服了鋰電池固態(tài)電解質(zhì)材料生產(chǎn)成本和綜合性能難以兼得的瓶頸，有望推進(jìn)安全且具有更大能量密度提升空間的全固態(tài)鋰電池商業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)成果7月20日發(fā)表于《自然—通訊》。
值得關(guān)注的是，該成果發(fā)布的第二天，鋰電池板塊“漲聲”一片，飄紅股票占比87%，A股19只“鋰電池”股再創(chuàng)歷史新高。投資者認(rèn)為，這一重磅進(jìn)展有可能是引爆“鋰電池”板塊的推手之一，而市場(chǎng)也對(duì)這種“物美價(jià)廉”的新材料充滿期待。
“魚與熊掌”可兼得
當(dāng)前，傳統(tǒng)商用鋰電池自燃事故時(shí)有發(fā)生。不久前，杭州電動(dòng)車自燃事故仍讓人心有余悸。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
“采用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)的傳統(tǒng)商用鋰離子電池，具有體積小、容量大、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其熱失控之后容易起火，甚至引發(fā)安全事故?！瘪R騁對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，固態(tài)鋰電池中的固態(tài)電解質(zhì)，可以杜絕液態(tài)電解質(zhì)帶來的“易燃易爆”與漏液等問題，實(shí)現(xiàn)安全儲(chǔ)能。
固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)鋰電池最核心的部件，但其生產(chǎn)成本和綜合性能往往不可兼得，難以滿足商業(yè)化需求。
“雖然固態(tài)鋰電池具有更高的安全性，但固態(tài)電解質(zhì)原材料成本大多非常高，并且相當(dāng)一部分性能很好的固態(tài)電解質(zhì)對(duì)濕度的穩(wěn)定性不佳，需要在露點(diǎn)不超過零下40攝氏度的環(huán)境下制備和儲(chǔ)存，極大增加了生產(chǎn)成本。”馬騁坦言，這些都給全固態(tài)電池的商業(yè)化帶來巨大挑戰(zhàn)。
對(duì)生產(chǎn)成本和綜合性能來說，“魚與熊掌”能否兼得？馬騁團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成的新型氯化物固態(tài)電解質(zhì)材料——氯化鋯鋰，成功將50微米厚度的原材料成本降低至1.38美元/平方米，遠(yuǎn)低于10美元/平方米這一確保全固態(tài)電池市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的閾值。
除此之外，氯化鋯鋰在露點(diǎn)高達(dá)零下15攝氏度的相對(duì)潮濕氣氛中仍能保持穩(wěn)定，其合成和儲(chǔ)存對(duì)環(huán)境的要求并不苛刻，相對(duì)來說更容易制備，這也進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
值得關(guān)注的是，生產(chǎn)成本的降低并不以犧牲性能為代價(jià)。
“這一新成果最大的亮點(diǎn)，就是我們?cè)O(shè)計(jì)的材料在大幅降低規(guī)模化生產(chǎn)成本的同時(shí)，仍然在綜合性能上有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。”馬騁表示，在離子電導(dǎo)率、可變形性以及與高電壓正極相容性等方面，氯化鋯鋰很好集成了硫化物、氧化物固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。它與高鎳三元正極組成的全固態(tài)電池的循環(huán)性能，甚至可以比肩基于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。
新材料并不完美
當(dāng)下主流的動(dòng)力電池，無論是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰離子電池，均是采用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，除了存在“易燃易爆”的弊病，能量密度也基本達(dá)到了“天花板”。
馬騁認(rèn)為，在新能源電動(dòng)汽車領(lǐng)域，全固態(tài)鋰電池或許是安全問題的最終解決方案，將會(huì)成為鋰電池行業(yè)的顛覆者。此外，全固態(tài)電池可以使用更高能量的正負(fù)極材料，電池構(gòu)造也能提供更多“腦洞大開”的可能性。
然而，全固態(tài)鋰電池雖然被科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界普遍看好，但其商業(yè)化量產(chǎn)仍面臨諸多障礙，比如需要尋找更加適合量產(chǎn)的固態(tài)電解質(zhì)材料、固態(tài)電解質(zhì)膜需要做得更薄等。
馬騁坦言，固態(tài)電解質(zhì)材料只有兼顧成本和性能，且具有巨大優(yōu)越性，才有全面替代液態(tài)電解質(zhì)的可能。此外，固態(tài)電解質(zhì)膜主要用來傳輸鋰離子，厚度做到10~40微米，在能量密度上才具備競(jìng)爭(zhēng)力，這些重大障礙均非一朝一夕可以掃除。
氯化鋯鋰則是首個(gè)基于四價(jià)陽離子的高性能氯化物固態(tài)電解質(zhì)，馬騁表示，它克服了生產(chǎn)成本和綜合性能難以兼得的重大瓶頸，并且在這兩方面均具備顯著優(yōu)勢(shì)，這在固態(tài)電解質(zhì)中十分罕見，為全固態(tài)電池商業(yè)化掃清了一大障礙。
“但需要特別說明的是，這一新材料并不完美?！瘪R騁坦言，氯化鋯鋰對(duì)于金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性并不好，這一不足仍需解決。目前，該團(tuán)隊(duì)正在試圖提升氯化鋯鋰對(duì)金屬鋰的穩(wěn)定性，以及研發(fā)基于氯化鋯鋰的高能量密度軟包電池，不斷優(yōu)化全固態(tài)鋰電池性能，并與相關(guān)企業(yè)合作推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程。
“我相信隨著科技發(fā)展，各種障礙會(huì)一個(gè)個(gè)被清除。”馬騁說。
鋰電池成本降到多少才劃算？
我國(guó)的新能源汽車市場(chǎng)占據(jù)了全世界的半壁江山，2019年，中國(guó)新能源汽車銷量共計(jì)120.6萬輛，占全球221萬輛的一半以上。但是，即使在發(fā)展速度如此之快的中國(guó)市場(chǎng)，每月新車的銷售仍集中在燃油車，占比超過九成。
任何一項(xiàng)好的生意，歸根結(jié)底都基于廣大的底層需求。通過記者多日在數(shù)家燃油車品牌4S店的隨機(jī)采訪發(fā)現(xiàn)，受訪者不愿意購(gòu)買電動(dòng)車的原因主要集中在：不劃算和充電不方便（充電樁不好找、充電太久等）。
國(guó)際能源署（IEA）和彭博新能源財(cái)經(jīng)（BNEF）近日發(fā)布的報(bào)告也顯示，經(jīng)過模型測(cè)算，目前純電動(dòng)汽車前期購(gòu)置成本和總使用成本仍比燃油車高，這是影響消費(fèi)者購(gòu)買電動(dòng)車的重要因素。電動(dòng)車的主要成本集中在電池，電池成本的下降將會(huì)有效促進(jìn)零售價(jià)格的下降，從而縮短電動(dòng)車與燃油車的成本差距，達(dá)到消費(fèi)者口中的“價(jià)格劃算”。
那么，電池的成本具體降低到多少，才會(huì)使電動(dòng)車與燃油車的成本大致相當(dāng)？IEA在2018年做的一項(xiàng)研究顯示，燃油車與電動(dòng)車的持有成本差異，根據(jù)不同國(guó)家的政策、車型偏好、氣候氣溫等因素有所不同，且不同型號(hào)的電池對(duì)不同大小的車輛影響也有所差異，但是總體來看，當(dāng)電池的成本降至120美元/kWh且汽油處于較高價(jià)格（1.5美元/L）時(shí)，持有電動(dòng)車將比燃油車經(jīng)濟(jì)劃算。但若汽油處于較低價(jià)格（0.8美元/L）時(shí)，120美元/kWh的電池成本必須在年度里程超過4萬公里時(shí)，電動(dòng)車才是更為劃算的選擇。
國(guó)內(nèi)的學(xué)者和專家也持有大致相同的觀點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高指出，只有當(dāng)動(dòng)力電池成本下降至100美元/kWh，新能源汽車才能真正大規(guī)模推廣使用。
近年來，鋰電池成本已大幅下降，據(jù)BNEF統(tǒng)計(jì)，從2010年至今下降幅度已超過87%。但是，當(dāng)前鋰離子電池的平均成本仍居高不下。彭博新能源財(cái)經(jīng)發(fā)布的2020年報(bào)告顯示，鋰離子電池目前的平均成本在156美元/kWh。咨詢公司CairnEnergyResearchAdvisors今年3月報(bào)告顯示，2019年特斯拉的電池組成本為158.27美元/kWh。
雖然今年特斯拉CEO馬斯克曾豪言未來要使電池包成本降至56美元/kWh，廣汽新能源副總經(jīng)理肖勇也認(rèn)為，未來2～3年新能源車的成本將會(huì)降到與燃油車相當(dāng)，但也有分析人士并不如此樂觀。彭博新能源財(cái)經(jīng)的分析師認(rèn)為，經(jīng)過這么多年的降成本，已到了一個(gè)比較瓶頸的位置。在新技術(shù)出來之前，電池的成本受基礎(chǔ)元素材料價(jià)格的影響將越來越大。目前正極活性材料占電池生產(chǎn)總成本已達(dá)45%左右。中國(guó)科學(xué)報(bào)，證券時(shí)報(bào)
