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密度417Wh/kg的混合锂金属电池来了

锂金属二次电池重出江湖。

11月4日,SES(前身为SolidEnergySystems)在线上举办了首届SES Battery World活动,发布了Apollo混合锂金属电池,其容量高达107Ah,是目前全球单体容量最大的锂金属电池,也是世界上首次公开展示的超过100Ah的单体锂金属电池

Apollo™电池容量为107Ah,重量仅0.982Kg,能量密度为417Wh/kg、935Wh/L,通过第三方测试,在室温下进行10小时、3小时和1小时放电测试,Apollo™电池均展现出很高的容量和能量密度。

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资料来源:SES

不同于锂离子电池负极采用石墨或硅,混合锂金属电池的负极采用锂金属。

这是人类历史上第二次试图将锂金属二次电池商业化的尝试,采用的还是液态电解质。

SES宣称,已经与通用、现代签订了锂金属A样品的联合开发协议,明年开始推出A样品;2025年上车并实现量产。

在此之前,《电动汽车观察家》对SES创始人兼CEO胡启朝进行了一次专访,对他们的产品、技术和规划进行了深入了解。

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路线:混合锂金属

目前下一代电池呼声最高的当属固态电池。顾名思义,固态电池指的是电解质为固态形式的锂电池。之所以采用固态电解质,其目的之一,就是为了应用锂金属负极,以大幅提高能量密度。

锂金属电池的第一次商业化尝试,采用的电解质就为液态。

早在1985年,Moli Energy的加拿大公司将锂金属电池的首次商业化应用,装载在“大哥大”上,但是不到半年就因为接连的爆炸事故发起全球召回。盛极一时的Moli公司也因此惨淡收场。

在科学家多番尝试后,采用液态电解质的锂金属电池没有取得突破,人们便将目光投向了固态电解质的解决方案。

固态电解质的思路,虽然能够有效解决锂枝晶问题,但是离子导电率低,成为另一个发展瓶颈。

锂金属负极在二次电池中的应用陷入困境。

如果将液态电解质和固态电解质探索,作为锂金属负极应用的前两个阶段的话,2014年左右则进入了第三阶段——此时,高浓度电解液出现了。

胡启朝解释说,一般电解液有两个材料,即盐和溶剂。常规的电解液是非常多的溶剂,很少的盐。溶剂本身是碳酸盐,是有机易燃易烧的材料。整个电解液大部分是易燃物,自然很不安全。

高浓度电解液恰恰相反,很多的盐只有一点点溶剂。

SES自己开发的电解液能做到两点,一是不易燃,二是改善锂枝晶形状。

胡启朝介绍,他们采用的就是高浓度溶剂在盐里面的电解质,即盐多溶剂少的电解液。“只有几滴溶剂,而且溶剂是无机溶剂,不可燃。盐也不是常规的六氟磷酸锂,是一个新的盐,还加上了自己的配方。

就是说,虽然电解质仍然为液体,但液体本身已经不易燃了。

他们的电解液还能改善锂枝晶的形状。

“用常规的电解液,它的锂枝晶是非常尖、非常蓬松的形状,这种锂枝晶是可以穿破隔膜导致电池短路,引起爆炸。用我们新的电解液,锂枝晶仍然形成,但它形状完全变了,是一种非常圆且密,很平的形状。这样的话是不会刺破隔膜,不会导致短路。”

此外,他们在负极上面有一层保护涂层,把锂枝晶变得很密之后,再把它压密,这一点SES是借鉴了固态电解质的思路。

SES技术对锂枝晶的控制

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资料来源:SES

即使不那么尖锐、甚至压平,但是枝晶问题还是存在的。因此,他们采用第三个方式,软件监测。他们开发了一个软件监测平台——Avatar,对生产使用的每一个电芯建立一个“数字双胞胎”,24小时监测电池安全,并根据使用状况提前预测出电池的发展状态,对于有隐患的电池进行主动处理。

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资料来源:SES

胡启朝告诉《电动汽车观察家》,SES锂金属电池总共有四块核心技术。第一是材料,即电解液,电解液里面的溶剂、配方完全是自己开发的,不易燃,更加安全。同时是和锂金属在一起也非常稳定的液态。

第二是锂金属本身,锂金属虽然说是采购的,但是要做成超薄、超宽的一个锂箔、锂带,其实在工艺方面是有很大挑战。SES正在和一些供应商合作开发这个工艺。

第三是电芯制造,SES自己生产电芯。锂金属电池和锂离子电池其实比较类似,但还是有很多的不同。这部分也是他们的核心技术。

第四是软件。SES是从电芯生产开始,原材料质量控制,到生产整个过程中所有的数据收集。通过这个软件非常准确地监测每一个电芯的运行状况,并预测风险状况,“做到提前一个月预警。”

胡启朝表示,他们的混合锂金属电池就是将锂金属的高能量密度和锂离子的高制造性能结合一起,发挥各自的优势。

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优势:性能与锂离子电池相似,但能量密度显著提升

在采用与锂离子电池相同正极的情况下,金属锂负极应用能够对电池能量密度带来显著提升。SES官方给出的数据是,Apollo™电池容量为107Ah,重量仅0.982Kg,能量密度能够做到417Wh/kg、935Wh/L。

胡启朝告诉《电动汽车观察家》,400Wh/kg是锂金属电池能量密度的起点,未来根据需求,他们将继续优化,可以到480Wh/kg甚至是500Wh/kg。

如果数据属实的话,这已经远远超过目前市场上锂离子电池的能量密度。

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资料来源:SES

安全性、低温性能及寿命又如何呢?

或是因为ApolloTM刚刚制造成功测试数据不多。他们目前只给出了三种环境下的放电测试,10小时放电,3小时放电和1小时放电。从数据看,能量密度和容量都非常接近。

当然,SES更多的是给出了他们之前4Ah小电芯的数据进行参考。

根据第三方测试显示,他们的小电芯可以通过针刺、过充、外部短路以及高温测试。用胡启朝的话说,锂金属电池可以达到与锂离子电池类似的安全性能。

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资料来源:SES

在倍率和低温性能方面,他们也做了相关测试。胡启朝表示,他们的电池测试显示,从40度到零下30度,从非常慢的放电——10小时放电,到非常快的放电——不到10分钟放电,一直保持非常高的能量密度。

小电芯充电最快可以4C,放电最快可以10C。

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资料来源:SES

此外,锂金属电池也可以快充。第三方测试数据显示,他们的锂金属电池从10%充到90%,只需要12分钟。

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资料来源:SES

寿命方面,SES给出的数据显示,3/4层250mAh电池能够在循环800次时实现80%容量保持率,25+层的4.2Ah电池可以在循环550次时,具有90%容量保持率。

胡启朝表示,他们锂金属电池的整个生产工艺、产业链和锂离子电池非常类似,其中60%的工艺都是可以共用的,只有负极生产方面差异较大。也就是混合锂金属电芯可生产的能力会非常好。

正极材料方面,则是根据车企的需求,沿用锂离子电池的正极材料,可以做三元和磷酸铁锂等方向,也正因此,混合锂金属电池性能才与锂离子电池非常相近。

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进展:明年A样,2025年量产

SES正与通用汽车和现代汽车合作,计划明年推出车用级锂金属电池A样品。

胡启朝介绍说,他们的计划是2022年开始推出A样品,2023年推出B样品,2024年做出C样品,2025年左右上车,正式量产。

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资料来源:SES

SES正在建设上海超级工厂,计划于2023年竣工,总面积为30,000平方米。超级工厂坐落于上海嘉定国际汽车城,建成后的产能将达到1GWh,到时这会是全球产能最大的锂金属电池工厂。

到2025年,SES将与车企建设合资工厂,2025年的目标是开始投建10GWh,到2028年产能进一步提升至30GWh。

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资料来源:SES

对生产基地的布局,则是采取与车企就近原则。

在胡启朝看来,电池整个产业链有三步,第一,是材料开发,美国具备优势;第二,是电芯产品开发和生产工程开发,这个是必须放在中国和韩国,得益于中、韩的产业链优势;第三,是生产方面,一般生产的话是要离这个车企近,像宁德在德国建厂主要是服务德国车企。LG、SK在美国建厂主要是服务美国车企。“如果我们是服务美国车企,在美国建厂,服务亚洲车企在亚洲建厂,服务欧洲车企在欧洲建厂。”

对于混合锂金属电池,胡启朝很有自信。他表示,SES不在乎到底是固态电池还是混合态的电池,他们唯一在乎的是数据,真正可以重复的数据。对于固态电池,他们曾经有过尝试,在性能和可生产性上远不如混合锂金属电池表现优异,这也正是他们选择混合锂金属电池的原因所在。

再次需要强调的是,目前SES给出的数据更多来自于4Ah小电芯,100Ah大电芯最早也要到明年才能露出更多数据。而且,作为全新的产品,Apollo从A样品走到量产,还要跨过大规模生产制造、整车匹配测试验证,以及实车应用的大关,关关在前,关关难过。能不能顺利走到量产装车,让我们拭目以待。

——END——

来源:第一电动网

作者:电动汽车观察家

本文地址:https://www.d1ev.com/kol/160591

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