氧氯化锆锂离大规模生产有多远?

氧氯化锆锂离大规模生产有多远?

作者王小西

崔力文负责编辑

编辑丨别   致

看固态电池,看是材料级概念,还是产品级概念?

说到固态电池,就像贾跃亭一样“下周回国”同样,过一段时间就会发布一条消息,然后“遥遥有期”最早2027年就可以量产了。

所以,关于它,或多或少有点“耳朵疲劳”。

氧氯化锆锂离大规模生产有多远?

在实际应用层面,在电池领先层面“宁王”所有人都质疑,QuantumScape、丰田等企业每隔一段时间就会发布固态电池的进展情况。例如,最近的丰田全固态电池将于2027年大规模生产,电池的重量、尺寸和成本将降低50%,充电10分钟,电池寿命为1200公里,这似乎更像是一种存在感,给人以“理想魔术,现实骨感”的感觉。

业内还有一个非常糟糕的氛围,就是一直在打固态电池概念的边缘球,因为这个概念比较宽泛,触点边的都算。比如威来的150kWh其实是半固态的。“固态电池”等等。

根据电解质的分类,电池可细分为液体(25wt%)、半固态(5-10wt%)、准固态(0-5wt%)和全固态(0wt%)四大类,其中半固态、准固态和全固态可统称为固态电池。

然而,从下半年开始,仍然有两个重要的消息。首先,中国科技大学马成教授团队开发了一种新型固态电解质——氧氯化锆锂。最惊人的是,据说这种新型电解质的综合性能类似于目前最先进的硫化物和氯化物固体电解质,但成本不到后者的4%,适合工业应用。

除了马成教授的研究结果外,7月23日,丰田的皇家合作伙伴日本东京理工大学和其他机构在《科学》杂志上发表了一篇论文,该团队开发了一种高导电性固态电解质“锂超离子导体”,这种新型电解质显著提高了全固态锂电池的特性。

氧氯化锆锂离大规模生产有多远?

只是,根据SNE research发布的报告,即使到2030年全固态电池量产,供应量也只会从2025年开始的0.2GWh增加到131GWh,市场渗透率只有4%。

因此,即使丰田汽车继续宣布新闻,如果它不能鞠躬,它也不能改变任何事情。

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氧氯化锆锂,向前一步

其实,SNE research为全固态电池泼冷水。根据7月25日发布的报告,到2030年,全球液态锂离子电池供应量将从2023年的687GWh增加到2943GWh,增加4.3倍,占电池市场的95%以上。

它说,到2030年,即使全固态电池批量生产成功,除了4%的份额,成本问题仍然是最大的问题。

因此,马成教授的研究结果令人鼓舞的是,他的团队设计并合成了氧氯化锆锂,具有很强的成本优势。通过优化合成,氧氯化锆锂的成本可以进一步降低到每公斤7美元左右,远低于固态电解质氯化锆锂(每公斤10.78美元)。

众所周知,全固态锂电池的固态电解质至少需要同时具备三个条件,以满足实际应用需要:

1、高离子电导率(室温下1m以上西门子/cm)

2、可变形性好(250~350兆帕下90%以上致密)

3、成本足够低(低于50美元/公斤)。

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氧氯化锆锂的室温离子电导率高达2.42m西门子/cm,超过所需1m西门子/cm。同时,其良好的可变形性使材料在300兆帕的压力下达到94.2%致密。此外,在12分钟快速充电的情况下,由氧氯化锆锂和高镍三元正极组成的全固态电池在室温下稳定循环超过2000圈。

2021年,马成教授团队报道了固态电解质氯化锆锂(Li2ZrCl6)。这种材料不含稀土元素或锆,因此原材料成本低于$50/kg。但该材料的离子电导率较低,仅为0.5m西门子/cm(mS cm-1)左右,不能满足离子传输效率的要求。现在,氧氯化锆锂的理想材料终于出现了。

马成教授论文的审稿人认为这一发现“很有创意,很有创意”,它还被认为是氧氯化锆锂材料“很有前景”,“有利于固态电池技术的商业化”。

这一次,论文和实验室的结果似乎完美地解决了固态电解质材料的问题。然而,我的问题是,氧氯化锆锂离大规模生产有多远?

我以前写过几篇关于固态电池常识的文章。

其中一个就是为什么大家都在研究全固态电池?当时国轩高科技的许巍博士告诉我,“那是因为实验室(流程)已经通过了。”换句话说,实验室已经实现了整个过程。经过多年的研究,全固态电池可以以高电流密度放电。

氧氯化锆锂离大规模生产有多远?

此外,找到这种材料与大规模生产和应用这种材料还有很长的路要走。毕竟,由于固态电解质难以考虑性能和成本,大规模生产仍然面临着巨大的障碍。

因此,值得注意的是,向中科大提供样品的上市公司三祥新材料,对外界回应,“公司采用国内首个沸腾氯化工艺生产氧氯化锆,设计产能可达10万吨,项目一期已全面投产。

在实验初期,公司已向中国科技大学等科研团队提供公司样品,请注意投资风险。”

02

材料级概念VS产品级概念

让我们来谈谈东京工业大学发布的公报。我们知道丰田系的固态电池是以硫化物固态电解质为研发方向的。

氧氯化锆锂离大规模生产有多远?

根据公报,该团队基于固体导体锂锗磷硫化物“高熵化”改进了设计,开发了室温下离子电导率为32m西门子/cm的新材料。新材料的离子电导率为原锂锗磷硫化物导体的2.3至3.8倍,在零下50℃至零上55℃的温度范围内。

根据公报,研究人员制作了钴酸锂正极(以这种新材料为固态电解质),其单位面积的容量可以提高到目前全固态电池最大值的1.8倍。报告称,“这一成果将为下一代蓄电设备在纯电动汽车、智能电网等领域的研发带来新的方向。”

这个消息和氧氯化锆锂可以将成本降低到4%的消息听起来很鼓舞人心,但目前尚不清楚能量何时生产。毕竟,马成教授的研究小组已经走了两年,从氯化锆锂到氧氯化锆锂。

此前,丰田表示,已经发现了克服全固态电池寿命短的新技术,“我们的目标是彻底改变电力电池太大、太重、太贵的局面。就潜力而言,我们的目标是减半所有这些因素。”Keiji是丰田碳中和研发中心总裁 Kaita说过。

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然而,宁德时代全球领先的电力电池首席科学家吴凯随后质疑,即使固态电池根本不需要电解质和隔膜,成本也不能降低一半。“所以我不知道他们成本减半的分母是什么。也许他们有一些‘独到之处’。”吴凯说。

事实上,目前产业链领导者的做法是通过加快半固态电池的产业化进程,促进半固态电池的技术进步和实施。例如,宁德时报推出了凝聚式电池,比亚迪布局了整个路线,随后或升级了固态电池 短刀 卫蓝新能源、清陶能源、赣锋锂业、辉能科技等优秀技术企业CTC系统,争相落地产能。

当然,从各种院士和专家的角度来看,半固态是一种过渡方式。然而,半固态电池与现有的工艺设备兼容,对产业链的影响较小。通过减少电解质的用量,使用聚合物 氧化物复合电解质仍保留隔膜结构,负极升级为预锂硅基等材料,正极升级为高镍、高压、超高镍等材料,能量密度可达350Wh/kg以上。

以上汽集团投资不超过27亿元的清陶能源为例。8月22日,上汽集团与清陶能源联合宣布,联合开发的第一代半固态电池已完成装载试验,单体能量密度为368Wh/kg,测试车辆续航里程1083公里,充电10分钟续航里程400公里,2024年智己品牌新车量产。

氧氯化锆锂离大规模生产有多远?

在成本方面,第一代半固态电池的成本相当于液态电池。根据清陶能源的规划,下一代准固态电池(液体电解质)<5%)成本将比同规格的磷酸铁锂或三元电池低10%-30%。2027年推出的第三代产品(全固态,请注意2027年)成本将降低40%,但70%以上的生产线是全新的,无疑会增加很大的成本。

对于汽车公司来说,测试电池的标准在于它是否可以大规模生产。总之,足够,可以使用,易于使用。再加上成本,全固态电池有什么关系吗?

清陶能源总经理李峥也提到了丰田所说的两个有趣的概念“充电10分钟1200公里”,是一个“材料级概念”,只是材料学的隐喻。而清陶明年介绍的上汽集团装车,“充电10分钟,整车量级400公里”,是“产品级概念”,类比不能放在一起。

而说到炒“产品级概念”,就在最近,大众等投资的QuantumScape又放了一个“卫星”:计划在2023年试生产部分固态电池,预计2025年实现大规模生产。据说Quantumscape的固态电池寿命接近2000公里,15分钟充满80%的电量,电池超过100万公里。

正如我之前所说,QuantumScape所谓的2000公里续航没有实际意义,关键在于充电基础设施。

我还是觉得,动力电池可能会停止在准固态(400Wh/)kg ),除了能量流动的物理常识外,技术和成本之间的最佳平衡已经达到。

王小西

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微信号| C次元

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