¿Son confiables las baterías de estado sólido invertidas por el público? Liu c dimensional
El 8 de febrero de 65438, QuantumScape, una empresa de nueva creación con inversión de Volkswagen y Bill Gates, publicó los últimos datos de rendimiento de las baterías de estado sólido después de diez años de investigación. Se dice que esta batería de estado sólido también puede ser la primera batería de estado sólido comercialmente viable. El mercado de valores se enteró de la noticia y el precio de las acciones de QuantumScape subió bruscamente.
Esta batería de estado sólido puede aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos en un 80% y se puede cargar completamente al 80% en 15 minutos. Se pondrá en producción en 2024. La clave de su avance es la sustitución de los electrolitos líquidos por electrolitos cerámicos flexibles. Se informa que el rendimiento de la batería no se verá afectado incluso a temperaturas extremadamente bajas de -30 grados centígrados.
Eso suena emocionante. Sin embargo, la pregunta más importante es que no se han revelado muchos detalles sobre la batería. Como dice el informe de investigación de la CICC, lo que se muestra actualmente es solo un laminado, no el núcleo de la batería, por lo que no se puede determinar la potencia del núcleo de la batería ni calcular sus instalaciones de carga de soporte. Por otro lado, ¿QuantumScape simplemente está "poniendo un satélite PPT"?
¿Qué esconde QS?
QuantumScape habló sobre muchas tecnologías interesantes en esta sesión informativa. Por ejemplo, en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio, este tipo de batería de estado sólido aún puede mantener más del 80% de su capacidad después de cargarse 800 veces. La tecnología ha logrado avances significativos.
Además, esta batería es retardante de llama y tiene una densidad de energía volumétrica de más de 1000Wh/L, que es casi el doble de la densidad de las principales baterías de litio comerciales. ¿Es también el modelo actual de Tesla? Tres veces el número de baterías utilizadas.
Suena genial. ¿Stan? ¿Cofundador de Lian Company, inventor de las baterías de iones de litio y uno de los ganadores del Premio Nobel de Química de 2019? Whittingham dijo: "La parte más difícil de fabricar una batería de estado sólido es cumplir simultáneamente los requisitos de alta densidad de energía, carga rápida, ciclo de vida prolongado y amplio rango de temperatura. Los datos muestran que la batería de estado sólido de QuantumScape cumple plenamente con todos estos requisitos, algo que nunca antes se había informado. Si la empresa puede poner esta tecnología en producción en masa, podría cambiar toda la industria". Sin embargo, QuantumScape también tiene muchas cosas ocultas.
Por ejemplo, según el informe de investigación de CICC, en primer lugar, QuantumScape no proporcionó una ruta técnica específica ni parámetros detallados de la batería; en segundo lugar, la muestra de batería mostrada es solo un laminado, no una unidad de batería real. En otras palabras, por el momento son sólo datos de laboratorio.
En términos de materiales, según el diseño y la publicidad de la patente de QuantumScape, la ruta de la batería de estado sólido de QuantumScape debería ser una batería de estado sólido de óxido compuesto similar a un granate a base de óxido (¿compuesto? ¿Granate? batería de estado sólido), que es la corriente principal. El sistema de electrolitos es Li3La3Zr2O12 (LLZO), que es circonato de litio y lantano.
¿Y la CICC de Google? Una gran cantidad de sistemas de patentes relacionados con QuantumScape que se encuentran en las patentes también son óxido de circonato de lantano y litio. Este es también el material con mayor probabilidad de ser producido en masa en la ruta actual de óxido de batería de estado sólido, y también es una rama del sistema de electrolito de óxido más estable para el metal de litio descubierto recientemente después de 2007. De hecho, con el desarrollo de la limpieza de cerámica en China, se han puesto en producción en masa dos pequeñas líneas de producción.
Por eso no sorprende que las baterías de estado sólido de Volkswagen opten por el electrolito cerámico flexible bajo el sistema de óxido. Sin embargo, el sistema de circonato de litio y lantano tiene ventajas y desventajas.
Las características del sistema de circonato de litio y lantano (LLZO) son: en primer lugar, el electrolito con mejor adaptabilidad al metal de litio entre todos los sistemas de electrolitos en baterías de estado sólido tiene relativamente más probabilidades de saltarse el ánodo de silicio directamente. Realizar la aplicación de ánodos de metal litio. En segundo lugar, LLZO tiene una amplia ventana electroquímica y puede soportar voltajes superiores a 5 V.
Sin embargo, el sistema LLZO tiene muchas desventajas. Por ejemplo, la conductividad de este sistema compuesto de granate es sólo 10-4, que es dos órdenes de magnitud menor que la del electrolito líquido. En segundo lugar, el rendimiento de la interfaz entre LLZO y el cátodo es deficiente. Esto se debe, por un lado, a que la estructura del granate hace que la superficie de contacto con el metal litio sea desigual y, por otro lado, el contacto con el electrodo positivo es relativamente deficiente.
Por lo tanto, las soluciones que se están explorando actualmente en China incluyen cátodos compuestos, optimización del proceso de tratamiento de interfaces, introducción de capas de interfaces y composición de electrolitos. Por ejemplo, el desarrollo de la cerámica en la dinastía Qing siguió el camino de los ánodos compuestos.
Además, el proceso de elaboración es complejo y los equipos de fabricación proceden de diferentes procedencias. En otras palabras, el sistema de producción de baterías de litio existente no puede utilizarse universalmente y debe reconstruirse. Además de la propia batería, también es muy importante la construcción de instalaciones de apoyo.
En 2017, Fisco dijo una vez que "puede recorrer 800 kilómetros con un minuto de carga". Pero según los cálculos de Lu Yixing, el grupo de datos de la comuna, para lograr este efecto, el diámetro del conductor de aluminio de la pila de carga debe alcanzar los 60 cm, que es un cable más grueso que un lavabo. ¿Es posible? En términos de la tecnología actual, "¡Esto es simplemente un efecto que sólo un rayo puede lograr!"
Basándose en este modelo (actualmente voltaje universal de 350 V), el periodista calculó que la batería de estado sólido debería tener un 80% completo en 15 minutos. El diámetro del conductor de aluminio del pilote debe ser superior a 15 cm.
Incluso si se reemplaza por un conductor de cobre con el doble de conductividad, el diámetro debe ser superior a 7,5 cm, lo que todavía es difícil de lograr en la actualidad (agregue WeChat para discutir karma-shan sobre el método de cálculo).
El ideal Li dijo recientemente: " Sólo cuando la tecnología de vehículos eléctricos de segunda generación madure, Li fabricará vehículos eléctricos puros. "Un símbolo de la tecnología de segunda generación es la carga rápida de 400 kW bajo una plataforma de voltaje de 800 V. Pero en realidad, puede que sea así. Será difícil hacerlo en 5 a 10 años. La potencia de carga alcanza los 400kW.
Sabemos que la implementación de la pila de súper carga de 350kW que Tesla espera lograr aún es incierta. Las baterías de estado sólido realmente pueden lograr una producción en masa y un uso comercial. El momento es después de 2030.
Por lo tanto, también hay dudas en la industria sobre los planes de QuantumScape de producirlas en masa en 2024-2025. ¿Qué posibilidades hay de que se utilice circonato de lantano? Las celdas de la batería de electrolito tienen cierta practicidad en términos de rendimiento teórico, pero aún están lejos de la producción en masa.
Así que esta batería de estado sólido parece ser QuantumScape. y la respuesta de Volkswagen a la presión inversora. PPT "Big Star" da confianza a los inversores. Desde la perspectiva de las inversiones, se puede entender que después de diez años se han logrado ciertos resultados.
Sin embargo, el periodista aún consultó a personas relevantes. En la industria dijeron que para el circonato de litio y lantano que contiene componentes de tierras raras, "esta ruta debería ser difícil". Hay dos elementos con muy poco contenido. "La ruta del sulfuro es factible. Esto también es lo que Toyota consideró al desarrollar sólidos". Baterías de estado sólido. Entonces, la ruta del óxido." Aún no podemos sacar conclusiones sobre hasta dónde podemos llegar.
El camino de las baterías de estado sólido
Hablemos de las de estado sólido. El principio es muy sencillo: sustituir las baterías existentes por electrolitos sólidos o semisólidos. Las baterías de litio utilizan electrolitos líquidos. Técnicamente, el espesor de los electrolitos sólidos puede ser muy fino, es decir, decenas de micras, lo que reduce el volumen. y el peso Las baterías de estado sólido con alta densidad de energía y alta seguridad son los objetivos finales de la tecnología de baterías.
El comienzo de las baterías de estado sólido se remonta a 1972, cuando Scrossati informó por primera vez sobre el litio sólido. -Batería primaria de iones con LiI como electrolito. En 1983, la japonesa Toshiba desarrolló una práctica batería de litio de estado sólido de película delgada. Desde entonces, la investigación sobre baterías de estado sólido ha estado en curso.
Vale la pena señalar que la conductividad de la mayoría de los electrolitos sólidos es más de 10 veces menor que la de los electrolitos, que es un orden de magnitud menor. Por lo tanto, el rendimiento de carga rápida es muy problemático y muy difícil de lograr. Además, si las baterías de estado sólido quieren superar la calidad y densidad de energía de los sistemas de baterías actuales, solo necesitan implementar la aplicación de ánodos de metal de litio.
Por lo tanto, los principales avances tecnológicos de. Las baterías de estado sólido se encuentran principalmente en tecnología de materiales de electrolitos sólidos con alta conductividad iónica y tecnología de fabricación de interfaz sólido-sólido de baja impedancia.
Por ejemplo, la industria automotriz aún es temprana. El rendimiento actual de las baterías de estado sólido es sólo ligeramente mejor que el de las baterías líquidas (densidad de energía única 400 Wh/kg), y el ciclo de vida no es más de 500 veces. Esta vez QuantumScape anunció que la cantidad de cargas puede llegar a 800 veces. Aunque estos datos son muy buenos, deberían ser solo datos experimentales.
Después de hablar de países extranjeros, hablemos de China. El académico Chen Liquan es la primera persona en China que presta atención a las baterías de estado sólido. Según su relato, en 1987, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de China incluyó las baterías de litio de estado sólido como el primer tema importante del plan "863". Sin embargo, según el nivel técnico de la época, esta tarea era obviamente "¿misión? Imposible.
Hasta 2012, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de mi país volvió a incluir baterías de litio de estado sólido en el "863". plan del 12.º Plan Quinquenal En 2018, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de China incluyó baterías de litio de estado sólido para energía y almacenamiento de energía en el plan nacional clave de investigación y desarrollo.
En 2019. -12, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información publicó el "Plan de desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía (2021-2035)" (borrador para comentarios en la "Implementación de acciones innovadoras en tecnología de baterías", que acelera la investigación, el desarrollo y la industrialización). La tecnología de baterías de estado sólido figura como "proyecto de investigación de tecnología clave para vehículos de nueva energía". En los últimos años, también podemos ver lo difícil que es la tecnología de baterías de estado sólido. Según el "Informe de análisis de tendencias de desarrollo y estudio especial del mercado de baterías totalmente de estado sólido de China 2019-2025" publicado por Zhiyan Consulting en 2019, desde una perspectiva global, Japón y Corea del Sur se encuentran actualmente en el campo de la investigación y la investigación de baterías de estado sólido. desarrollo La tecnología patentada es relativamente avanzada.
De 1990 a 2018, el número de patentes publicadas en el campo de las baterías de estado sólido fue de 1.926, de las cuales el número de patentes fue en baterías de estado sólido. En términos de baterías de estado sólido, China tiene 362 patentes, mientras que Japón tiene 657 patentes, lo que representa el 75%. En este sentido, China tiene una ventaja aún más clara. Hay 128 patentes y 37 patentes en Corea del Sur. Estados Unidos solo tiene 29 patentes en el campo de las baterías de estado sólido. En general, no hay muchas patentes. Es difícil seguir invirtiendo en la investigación de baterías de estado sólido y algunas personas prefieren "alardear" primero. Muchos de los resultados que se han revelado solo se cuentan a los inversores, y pocos pueden serlo. Esto es lo que debemos analizar de forma más racional.
Ruta japonesa del sulfuro
Hablemos de otra ruta convencional. La cerámica nacional y QuantumScape toman la ruta del óxido, pero ¿Japón? Los japoneses y coreanos van por la ruta del sulfuro.
Ahora estamos hablando de baterías de estado sólido, y sus electrolitos sólidos se pueden dividir aproximadamente en tres categorías: electrolitos inorgánicos, electrolitos poliméricos sólidos y electrolitos compuestos. En la actualidad, existen dos tipos principales en la industria, los sulfuros y los óxidos, además de los polímeros y películas sólidos.
Aunque los óxidos tienen las ventajas de una alta seguridad y facilidad de producción, mejorar la conductividad iónica a temperatura ambiente sigue siendo un problema que existe desde hace un siglo. Aunque la ruta del polímero fue la primera en lograr una producción en masa a pequeña escala y tiene una tecnología madura, es similar a "un atleta que necesita dopaje a largo plazo" y "el pico está en el debut. No tiene potencial de seguimiento". y está marginado y no convencional.
La ruta del sulfuro es la más difícil técnicamente de las tres, pero tiene un enorme potencial y es buscada por empresas japonesas y coreanas. Sin embargo, sólo las empresas japonesas y coreanas pueden ser pacientes y estudiar mucho.
Toyota es un firme defensor de la tecnología de sulfuros. A través de años de investigación silenciosa, Toyota ha logrado ciertos resultados. Toyota originalmente planeó lanzar un vehículo puramente eléctrico equipado con baterías de estado sólido de sulfuro en los Juegos Olímpicos de Tokio 2020, y planeó lograr la producción en masa en 2022. Sin embargo, debido a la epidemia, Toyota pospuso su plan de debut.
Sin embargo, ¿Keiji, vicepresidente ejecutivo de Toyota Motor Powertrain Company y director general de la industria de baterías? Keita ha dicho que Toyota planea producir en masa baterías de estado sólido para 2025, que tienen más del doble de densidad energética que las baterías de litio y una mayor eficiencia de carga. Sólo se necesitan 15 minutos para cargar completamente desde cero.
La base técnica de Toyota en materiales de electrolitos sólidos proviene del electrolito sólido de sulfuro inventado por Keno, profesor del Instituto de Tecnología de Tokio en 2011. Su conductividad iónica a temperatura ambiente es >:10-2S/cm (superando a los electrolitos orgánicos tradicionales).
Después de más de diez años de investigación, Toyota no solo obtuvo patentes para materiales de electrolitos sólidos y tecnología de fabricación de baterías sólidas, sino que también desarrolló un conjunto de rutas técnicas y procedimientos de reciclaje para materiales de cátodos y materiales de electrolitos sólidos de sulfuro. Por eso Volkswagen también está ansioso por invertir mucho en baterías de estado sólido. El oponente es demasiado fuerte.
Además, Samsung y BMW también están desarrollando tecnología de baterías de estado sólido de sulfuro. A principios de marzo de este año, el Instituto Avanzado de Tecnología de Samsung (SAIT) y Samsung Research Japan (SRJ) afirmaron en la revista Nature Energy que habían desarrollado una batería de estado sólido de alto rendimiento. Esta batería tiene un ciclo de vida de más de 65.438+0.000 veces y puede permitir que un vehículo eléctrico recorra 800 kilómetros con una sola carga.
¿Samsung también participó en la inversión en Solid el año pasado? ¿Y el BMW 2017 arranca con el mismo que Solid? Power*** desarrolla juntos baterías de estado sólido. Si la ruta de la vulcanización puede producir resultados lo antes posible también pondrá a prueba la resistencia y la fuerza de estas empresas.
Pero en términos del lento proceso de fabricación de baterías de estado sólido de Toyota, sabemos que todavía estamos muy lejos de la producción en masa.
Las baterías de estado sólido de Toyota deben producirse en un entorno ultraseco y sin agua. Se fabrica en una caja transparente denominada "guantera". Los trabajadores acceden a la caja a través de guantes de goma que se ajustan perfectamente dentro de la caja. Obviamente, esto todavía se encuentra en la etapa de laboratorio y aún está lejos de la producción en masa.
¿Keiji? Keita también advirtió que Toyota todavía está en camino de lograr "cantidades limitadas" de producción en 2025. Sin embargo, debido a la pequeña escala de producción, el coste inicial será elevado. Por tanto, en los primeros años de producción, el rendimiento de esta batería de estado sólido será muy bajo. Además, el objetivo de Toyota es que esta batería pueda mantener un rendimiento del 90% después de un uso prolongado (30 años), lo que complica el desarrollo de esta batería.
En conjunto, las principales empresas automotrices están intensificando actualmente la investigación, el desarrollo y el diseño industrial de baterías de estado sólido, y Samsung SDI, SKI, LG Chem, Mass SES, QuantumScape, etc. también continúan Desarrollarse en el campo de las baterías de estado sólido. Lograr nuevos avances y producir nuevos resultados de vez en cuando.
Empresas nacionales como Huineng Technology, Ganfeng Lithium Industry, Taoqing Energy, Wanxiang 123 y Weilan New Energy también están construyendo líneas de producción de baterías de estado sólido, y algunas incluso se han puesto en producción. La batalla por la próxima generación de baterías eléctricas después de 2025 ya ha comenzado silenciosamente.
Pero las perspectivas de aplicación práctica de las baterías de estado sólido parecen estar todavía en 2025-2030. Cualquier estimación y predicción demasiado optimista debe ser tranquila frente a la realidad.
Según lo analizado por CICC, el sistema de batería de litio actual puede alcanzar una autonomía de 800 ~ 1000 km después de la iteración, lo que puede satisfacer la demanda. Además, con la cooperación de la cadena de suministro y el efecto de escala, se podrá lograr la paridad de precios entre los vehículos de combustible y los vehículos eléctricos puros para 2025. Por un lado, la alta resistencia de 1000~1400 km anunciada por las baterías de estado sólido es limitada y no es tan importante como la conveniencia de la red de carga en la realidad; por otro lado, el alto costo de las baterías de estado sólido también conduce; a un rendimiento de bajo costo en 5 ~ 10 años.
Las perspectivas de futuro de las baterías de estado sólido son muy atractivas. Según cálculos del Bank of China International, se espera que la demanda mundial de baterías de litio de estado sólido alcance 1,7 GWh, 44,2 GWh y 494,9 GWh en 2020, 2025 y 2030, respectivamente. Se espera que alcance el espacio de mercado mundial de baterías de estado sólido en 2030. más de 150 millones de yuanes. Sin embargo, el periodista cree que las baterías de estado sólido no dominarán dentro de 10 años.
Texto/Wang Xiaoxi
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Este artículo es de Autohome, el autor de Autohome, y no representa la posición de Autohome.