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密度417Wh/kg的混合鋰金屬電池來了
來自:電動號轉載
作者:電動汽車觀察家
2021-11-12 11:31:00
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鋰金屬二次電池重出江湖。

 11月4日,SES(前身為SolidEnergySystems)在線上舉辦了首屆SES Battery World活動,發布了Apollo?混合鋰金屬電池,其容量高達107Ah,是目前全球單體容量最大的鋰金屬電池,也是世界上首次公開展示的超過100Ah的單體鋰金屬電池。

 Apollo?電池容量為107Ah,重量僅0.982Kg,能量密度為417Wh/kg、935Wh/L,通過第三方測試,在室溫下進行10小時、3小時和1小時放電測試,Apollo?電池均展現出很高的容量和能量密度。

資料來源:SES

不同于鋰離子電池負極采用石墨或硅,混合鋰金屬電池的負極采用鋰金屬。

 這是人類歷史上第二次試圖將鋰金屬二次電池商業化的嘗試,采用的還是液態電解質。

 SES宣稱,已經與通用、現代簽訂了鋰金屬A樣品的聯合開發協議,明年開始推出A樣品;2025年上車并實現量產。

 在此之前,《電動汽車觀察家》對SES創始人兼CEO胡啟朝進行了一次專訪,對他們的產品、技術和規劃進行了深入了解。

 1

路線:混合鋰金屬

 目前下一代電池呼聲最高的當屬固態電池。顧名思義,固態電池指的是電解質為固態形式的鋰電池。之所以采用固態電解質,其目的之一,就是為了應用鋰金屬負極,以大幅提高能量密度。

 鋰金屬電池的第一次商業化嘗試,采用的電解質就為液態。

 早在1985年,Moli Energy的加拿大公司將鋰金屬電池的首次商業化應用,裝載在“大哥大”上,但是不到半年就因為接連的爆炸事故發起全球召回。盛極一時的Moli公司也因此慘淡收場。

 在科學家多番嘗試后,采用液態電解質的鋰金屬電池沒有取得突破,人們便將目光投向了固態電解質的解決方案。

 固態電解質的思路,雖然能夠有效解決鋰枝晶問題,但是離子導電率低,成為另一個發展瓶頸。

 鋰金屬負極在二次電池中的應用陷入困境。

 如果將液態電解質和固態電解質探索,作為鋰金屬負極應用的前兩個階段的話,2014年左右則進入了第三階段——此時,高濃度電解液出現了。

 胡啟朝解釋說,一般電解液有兩個材料,即鹽和溶劑。常規的電解液是非常多的溶劑,很少的鹽。溶劑本身是碳酸鹽,是有機易燃易燒的材料。整個電解液大部分是易燃物,自然很不安全。

 高濃度電解液恰恰相反,很多的鹽只有一點點溶劑。

 SES自己開發的電解液能做到兩點,一是不易燃,二是改善鋰枝晶形狀。

 胡啟朝介紹,他們采用的就是高濃度溶劑在鹽里面的電解質,即鹽多溶劑少的電解液?!爸挥袔椎稳軇?,而且溶劑是無機溶劑,不可燃。鹽也不是常規的六氟磷酸鋰,是一個新的鹽,還加上了自己的配方?!?/p>

 就是說,雖然電解質仍然為液體,但液體本身已經不易燃了。

 他們的電解液還能改善鋰枝晶的形狀。

 “用常規的電解液,它的鋰枝晶是非常尖、非常蓬松的形狀,這種鋰枝晶是可以穿破隔膜導致電池短路,引起爆炸。用我們新的電解液,鋰枝晶仍然形成,但它形狀完全變了,是一種非常圓且密,很平的形狀。這樣的話是不會刺破隔膜,不會導致短路?!?/p>

 此外,他們在負極上面有一層保護涂層,把鋰枝晶變得很密之后,再把它壓密,這一點SES是借鑒了固態電解質的思路。

SES技術對鋰枝晶的控制

資料來源:SES

即使不那么尖銳、甚至壓平,但是枝晶問題還是存在的。因此,他們采用第三個方式,軟件監測。他們開發了一個軟件監測平臺——Avatar,對生產使用的每一個電芯建立一個“數字雙胞胎”,24小時監測電池安全,并根據使用狀況提前預測出電池的發展狀態,對于有隱患的電池進行主動處理。

資料來源:SES

胡啟朝告訴《電動汽車觀察家》,SES鋰金屬電池總共有四塊核心技術。第一是材料,即電解液,電解液里面的溶劑、配方完全是自己開發的,不易燃,更加安全。同時是和鋰金屬在一起也非常穩定的液態。

 第二是鋰金屬本身,鋰金屬雖然說是采購的,但是要做成超薄、超寬的一個鋰箔、鋰帶,其實在工藝方面是有很大挑戰。SES正在和一些供應商合作開發這個工藝。

 第三是電芯制造,SES自己生產電芯。鋰金屬電池和鋰離子電池其實比較類似,但還是有很多的不同。這部分也是他們的核心技術。

 第四是軟件。SES是從電芯生產開始,原材料質量控制,到生產整個過程中所有的數據收集。通過這個軟件非常準確地監測每一個電芯的運行狀況,并預測風險狀況,“做到提前一個月預警?!?/p>

 胡啟朝表示,他們的混合鋰金屬電池就是將鋰金屬的高能量密度和鋰離子的高制造性能結合一起,發揮各自的優勢。

 2

優勢:性能與鋰離子電池相似,但能量密度顯著提升

 在采用與鋰離子電池相同正極的情況下,金屬鋰負極應用能夠對電池能量密度帶來顯著提升。SES官方給出的數據是,Apollo?電池容量為107Ah,重量僅0.982Kg,能量密度能夠做到417Wh/kg、935Wh/L。

 胡啟朝告訴《電動汽車觀察家》,400Wh/kg是鋰金屬電池能量密度的起點,未來根據需求,他們將繼續優化,可以到480Wh/kg甚至是500Wh/kg。

 如果數據屬實的話,這已經遠遠超過目前市場上鋰離子電池的能量密度。

資料來源:SES

安全性、低溫性能及壽命又如何呢?

 或是因為ApolloTM剛剛制造成功測試數據不多。他們目前只給出了三種環境下的放電測試,10小時放電,3小時放電和1小時放電。從數據看,能量密度和容量都非常接近。

當然,SES更多的是給出了他們之前4Ah小電芯的數據進行參考。

 根據第三方測試顯示,他們的小電芯可以通過針刺、過充、外部短路以及高溫測試。用胡啟朝的話說,鋰金屬電池可以達到與鋰離子電池類似的安全性能。

資料來源:SES

在倍率和低溫性能方面,他們也做了相關測試。胡啟朝表示,他們的電池測試顯示,從40度到零下30度,從非常慢的放電——10小時放電,到非??斓姆烹姟坏?0分鐘放電,一直保持非常高的能量密度。

小電芯充電最快可以4C,放電最快可以10C。

資料來源:SES

此外,鋰金屬電池也可以快充。第三方測試數據顯示,他們的鋰金屬電池從10%充到90%,只需要12分鐘。

資料來源:SES

壽命方面,SES給出的數據顯示,3/4層250mAh電池能夠在循環800次時實現80%容量保持率,25+層的4.2Ah電池可以在循環550次時,具有90%容量保持率。

胡啟朝表示,他們鋰金屬電池的整個生產工藝、產業鏈和鋰離子電池非常類似,其中60%的工藝都是可以共用的,只有負極生產方面差異較大。也就是混合鋰金屬電芯可生產的能力會非常好。

 正極材料方面,則是根據車企的需求,沿用鋰離子電池的正極材料,可以做三元和磷酸鐵鋰等方向,也正因此,混合鋰金屬電池性能才與鋰離子電池非常相近。 

3

進展:明年A樣,2025年量產

 SES正與通用汽車和現代汽車合作,計劃明年推出車用級鋰金屬電池A樣品。

胡啟朝介紹說,他們的計劃是2022年開始推出A樣品,2023年推出B樣品,2024年做出C樣品,2025年左右上車,正式量產。

資料來源:SES

SES正在建設上海超級工廠,計劃于2023年竣工,總面積為30,000平方米。超級工廠坐落于上海嘉定國際汽車城,建成后的產能將達到1GWh,到時這會是全球產能最大的鋰金屬電池工廠。

 到2025年,SES將與車企建設合資工廠,2025年的目標是開始投建10GWh,到2028年產能進一步提升至30GWh。

資料來源:SES

對生產基地的布局,則是采取與車企就近原則。

 在胡啟朝看來,電池整個產業鏈有三步,第一,是材料開發,美國具備優勢;第二,是電芯產品開發和生產工程開發,這個是必須放在中國和韓國,得益于中、韓的產業鏈優勢;第三,是生產方面,一般生產的話是要離這個車企近,像寧德在德國建廠主要是服務德國車企。LG、SK在美國建廠主要是服務美國車企?!叭绻覀兪欠彰绹嚻?,在美國建廠,服務亞洲車企在亞洲建廠,服務歐洲車企在歐洲建廠?!?/p>

 對于混合鋰金屬電池,胡啟朝很有自信。他表示,SES不在乎到底是固態電池還是混合態的電池,他們唯一在乎的是數據,真正可以重復的數據。對于固態電池,他們曾經有過嘗試,在性能和可生產性上遠不如混合鋰金屬電池表現優異,這也正是他們選擇混合鋰金屬電池的原因所在。

 再次需要強調的是,目前SES給出的數據更多來自于4Ah小電芯,100Ah大電芯最早也要到明年才能露出更多數據。而且,作為全新的產品,Apollo從A樣品走到量產,還要跨過大規模生產制造、整車匹配測試驗證,以及實車應用的大關,關關在前,關關難過。能不能順利走到量產裝車,讓我們拭目以待。

 ——END——


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