电池全固态了,日产「摊牌了」

「到底该去哪充电啊?」

上周,我们编辑部来了一辆国民 A00 级电动车。小巧的尺寸加上传递非常直接的驾驶感受,让所有体验过这辆车的同事都觉得开这辆车有一种驾驶玩具车的快乐,即使它只有 100 多公里的续航。

在经过两天的体验测试后,这辆小车的续航里程几近归零。我们打算给它充电时,才发现我们光顾着快乐,忽略了一个重要问题:办公室附近快充桩遍地都是,慢充桩几乎绝迹,而这辆车只支持慢充。

我们又想到了用随车附带的充电器来充电。但在北京这样拥挤的大城市里,想找到一个带 220V 接地插座的车位,几乎是一种奢望。

于是,就有了文章开头的那句哀嚎。

窘迫的充电体验让我司 CTO 咩总非常绝望,他原本是这辆小车的忠实铁粉,「为什么它就不能支持快充呢?」咩总愤愤道,「它要是能 5 分钟快充,即便只有 100 多公里的续航其实也能接受,就像现在的手机快充一样。」

但目前的锂电池技术,再叠加成本因素,让「小容量电池包大功率快充」的确很难做到。但是,最近几天 Nissan 日产一场关于全固态电池的技术研讨会,让我看到了一些曙光。

小电池的快充瓶颈

说到这,可能有的同学就不服了,「现在特斯拉 V3 超充桩功率能到 250 kW,就算是第三方充电品牌,120kW 快充桩也不是什么稀罕玩意。」

你忽略上面这个问题的一个大前提,「小容量电池」快充技术

理论上,120kW 功率的快充桩充一块 15kWh 容量的电池只需要 7.5 分钟。但实际上,即便刨去温度、末端涓流充电等因素,也很难达到这个速度——想要在 7.5 分钟内充满一块 15kWh 的电池,这块电池就必须是一块 「8C 电池」。

这里提到的「C」,指的是充放电倍率。

充放电倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值。翻译一下,如果一块电池最快能用 1 小时完成完全放电或充电,我们就把它称为 1C 电池;如果能在 0.5 小时内完成,就是 2C 电池,以此类推。

而目前主流汽车动力电池的充放电倍率仅为 3C 左右,这也就是之前提到的「小容量电池快充技术」的瓶颈所在。

而更高的充放电性能,正是日产全固态电池的特性之一,这也就是我将它称为「曙光」的原因。

全固态电池

不管是特斯拉的 2170、4680 电池,还是比亚迪的刀片电池,它们均由正负极材料、电解液和隔膜组成。其中电解液,作为传递锂离子运动的主要介质,是锂电池的重要组成部分。

而全固态电池,顾名思义,就是用固体材料作为电解质的可充电电池。

换用固态电解质,最直接的好处,就是安全性。

锂电池在工作时会产生热量。极端情况下,大量热能会让液态电解液汽化膨胀,撑破隔膜,使电池正负极发生短路,从而导致安全事故。

而固态电解质最大的特点就是物理、化学性质更稳定。相比液态电解质,固态电解质在面对相同温度时,形态的变化几乎可以忽略不计,也就避免了上述意外情况的发生,锂电池热失控风险大大降低。因此,固态电解质也被认为是解决动力电池安全性问题的方案之一。

更高的热承受能力,也就意味着全固态电池可以实现更高的安全工作温度。对于锂电池而言,更高的工作温度,就意味着更高的锂离子活性,反馈到宏观层面,就是我们能获得更快的充电速度。根据日产公布的信息,日产对全固态电池充电功率的目标值为 350 kW。

这并不是凭空想象,据悉,目前日产已经完成了 1000Wh/L 级的充放电性能实测,在 25 ℃ 下能在 15 分钟内从 SOC 15% 充电至 80%。

固态电解质的稳定性质还为降低成本提供了更多可能。这种降本可能性则是体现在正、负极材料的选择上。

锂电池技术发展到今天,考虑到液态电解质相对活泼的性质,正负极材料的选择其实不多。这也就能解释,为什么最近碳酸锂原材料价格的暴涨会直接导致锂电池价格暴涨——因为别无选择。

而固态电解质的稳定性质,让正负极材料有了更广的选择面,我们可以尝试更易获得、成本更低,而性能更优的材料,从而降低锂电池的制造成本。

相较于液态锂电池 4.2V 的满电电压,更高性能的正负极材料,为全固态电池带来了 5V 以上满电电压。更高的电压就意味着更高的能量密度。目前,特斯拉最新的 4680 电池能量密度为 300 Wh/kg,已属于行业绝对领先水平,而全固态电池的能量密度将突破 400 Wh/kg

简单概括,全固态电池将带来更好的安全性、更高的性能、更低的成本。我要收回上面说的「曙光」,这就是电池技术的新「光明」。

研发细节

在沟通会上,日产也谈到了几个全固态电池研发过程中的小细节。

比如,电池正负极材料选择。

之前提到过,固态电解质稳定的性质让全固态电池的正负极材料有了更多的选择。而这个「更多」,确切地讲,指的是超过 15 万种材料

选择少时烦恼,选择多了一样也有烦恼,到底该选哪一种?

一一测试显然不是最明智的选择。在这个问题上,日产得到了美国 NASA 的帮助。他们通过人工智能仿真模拟技术,用计算机对海量材料进行仿真模拟,从而找到了最适合的正负极材料组合。

实际上,对于这样一项新技术的探索,日产获得的帮助不止来自 NASA,还有其他全球知名机构。也正是这种强强联合,才为新技术的诞生提供了更多机会。

除了来自外部的协助,还有源自日产自身的技术积累。

日产提到,全固态电池生产概括来说就是正极、固态电解质、负极的堆叠。而简单的「堆叠」二字背后则意味着极大的精度难点。

这是因为,固态电解质材料是依靠和正负极材料的接触来传递锂离子的。如果固态电解质和正负极材料直接的接触面不够平整,甚至说有凸起,那么电介质材料和电极材料直接的接触面就会存在空隙,这样一来,锂离子的传递效率就会大打折扣,同时还会引起凸起局部的热量堆积。这些都将阻碍全固态电池的正常工作。

想要解决这个问题,就需要高精度的电极层叠技术。

在过去的十二年间,日产 LEAF 聆风保持了零重大电池事故的安全纪录。也正是通过研发、制造聆风所搭载的软包锂离子电池,日产积累了高精度电极层叠技术,具体到数字,这个「高精度」指的是 0.0001 m。

现在,日产将这项技术应用到了全固态电池生产当中,很好地解决了全固态电池生产良率问题。

基于全固态电池,日产提出了「日产汽车 2030 愿景」,那就是更长的续航里程,更短的充电时间,以及更低的电池成本。这何尝不是所有电动汽车用户的愿景呢?

目标有了,接下去就是具体实施步骤。套用一下时下流行的「OKR」,O-Objective 自然指的是「日产汽车 2030 愿景」,而最近的 KR-Key Result 应该就是 2024 年在日本横滨建造试点工厂。这是日产全固态电池大规模量产的关键性一步。

如果一切顺利,2028 年,我们就能见到日产推出的搭载了日产全固态电池的电动车型。

我们公司全体同事都衷心祝愿日产一切顺利,不要跳票。

因为,咩总的嚎叫实在是太难听了。

原创文章,作者:薯条鱼c,如若转载,请注明出处:https://www.cydao.com/yucheng/6871.html

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