固态电池重大突破:能量密度约为特斯拉4680电池两倍

近日,美国航空航天局(NASA)表示其研发的航空用固态电池取得了重大突破。

NASA在其官方网站介绍,NASA目前所研发成功的固态电池的能量密度达到了500Wh/kg,几乎是目前最好的电动汽车电池能量密度的两倍——特斯拉公司的4680锂电池的能量密度约为300Wh/kg。

2021年4月,NASA宣布其改进固态电池充电效率和安全性项目(eSolid-stateArchitectureBatteriesforEnhancedRechargeabilityandSafety,“SABERS”)部门将为电动飞机研发固态电池,相较于现有的液态电解质锂离子电池,其具有更高能量密度,电池体积更小,受到冲击后能够继续使用,起火风险也会更低。

据了解,NASA的固态电池为硫硒电池,其电解质材料利用廉价并易获得的硫,电池还利用了NASA此前研发的“多孔石墨烯”材料,导电性好,质量也较轻。由于固态锂电池没有液体电解液,因此降低了液体起火爆炸风险。

此外,在电池的封装上,与普通锂离子电池单个封装不同,NASA的固态电池在单个外壳内将电芯堆叠在一起,这种方法使得电池重量减少了30%-40%。

“SABERS对电池的新材料进行了试验,这些材料在放电方面取得了显著进展。在过去的一年里,该团队成功地将电池的放电率提高了10倍,其后又提高了5倍,使研究人员距离为大型车辆提供动力的目标更近了一步。”NASA在其新闻稿中表示。

据介绍,电动飞机和NASA的先进空中机动项目将是新电池技术的主要受益者。

站上风口的固态电池

无独有偶,最近,另外一则关于固态电池的消息也引发了公众广泛关注。

据国内多家媒体报道,来自哈佛大学的华人教授李鑫与其学生叶露涵,研发的新型固态电池可重复使用1万次,充电速度最快3分钟,相较而言,目前最好的固态电池循环次数为2000—3000次。

两人于2021年5月发表在《自然》(www.nature.com)杂志上的相关论文介绍了这种新型固态电池的原理。研究者在论文中表示,其制备了一种具有界面稳定性的多层结构锂金属固态电池,从而实现了在超高电流密度下稳定循环且抑制枝晶渗透现象。

电池多层设计特点在于将不稳定的电解质夹在稳定的固态电解质之间,构成了“三明治”结构,且通过在不稳定的电解质层中实现裂纹良好的局部分解,抑制了任何锂枝晶的生长。

据上图所示,从左到右,“三明治”电池结构分布为锂金属负极→石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→单晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(镍锰钴811)正极。石墨介于锂金属负极和第一层固态电解质之间,主要用于隔热。

据论文描述,夹在两边的第一层固态电解质为Li5.5PS4.5Cl1.5(LPSCI),特点在于对锂金属表现较为稳定,但容易发生锂枝晶穿透。它的存在能够稳定锂金属和石墨层的主要界面,并降低整体过电位。

夹在中间的第二层电解质为Li10Ge1P2S12(LGPS),对锂金属的稳定性较差,但不易发生锂枝晶穿透。中间的电解质可换成Li9.54Si1.74(P0.9Sb0.1)1.44S11.7Cl0.3(LSPS),也能获得类似的性能表现。

锂枝晶可以穿过石墨和第一层电解质,但到达第二层电解质时被拦截。通常的锂金属固态电池反复多次充放电,陶瓷颗粒中会频繁产生微米或亚微米级裂纹。裂纹一旦形成,锂枝晶穿透及短路现象就难以避免。“三明治”中间的这层固态电解质,让锂枝晶无法刺穿整个电池,从而避免了电池正负极发生短路甚至起火。

不仅在安全性上得以提升,该技术以锂金属作为负极,LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2作为正极构成展现了优异的循环性能。其在1.5C(0.64mAcm-2)和20C(8.6mAcm-2)的放电倍率条件下,循环2000次和10000次之后,容量保持率达到81.3%和82%。此外,电池的微米级正极材料能够实现110.6千瓦/千克的比功率和高达631.1瓦时/千克的比能量。

为了进一步推进对固态电池的研究,两名研究者已经成立了一家电池初创公司——AddenEnergy,叶露涵担任首席技术官。据报道,今年,AddenEnergy融资515万美元(约3570万元人民币)。

固态电池上车有何之难?

放眼全球,固态电池并不是一个全新的产物。传统的液态锂电池中,锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池完成充放电过程。固态电池的原理与之相同,只不过其电解质为固态。

早在2017年,总部设在加州安纳海姆的美国电动汽车公司Fisker发布了一项固态电池专利,充电1分钟,续航800公里。创始人HenrikFisker表示,该公司的固态电池会在2023年量产,价格只有传统锂电池的三分之一。然而2021年,HenrikFisker表示,已彻底放弃固态电池计划。

目前,全球范围内唯一实现动力固态电池商业化的是法国博洛雷集团(BolloreGroup)。2011年10月,博洛雷集团开始在其自主研发的电动汽车“Bluecar”和电动巴士“Bluebus”上搭载由BatScap制造的固态电池,共投入2900辆电动车。但这款固态电池包的容量只有30KWh,能量密度仅有110Wh/kg。

在业内人士看来,固态锂电池的产业化,从技术层面来看,依然存在不小的挑战。

首先是固态电解质的离子电导率较低,特别是在低温环境中。其次是电极—电解质的固固界面处的界面电阻大。此外,固态电池采用的预锂化硅碳负极或未来的金属锂负极、高镍正极、固态电解质等新材料,完全颠覆当前的液态锂电池体系,生产成本远高于目前对应的材料,降本之路极其艰巨漫长。

据了解,目前固态电解质材料有三种主流体系:聚合物,例如将六氟磷酸锂掺杂到PEO中;氧化物,如锂钢锆氧化物(LLZO),NASICON等;和硫化物,如LPSX(X=Cl,Br,I)。

这三种材料路线中,聚合物体系的优点是高温离子电导率高,方便加工。但它在室温下离子电导率极低,制约了其发展。例如法国博洛雷牌固态电池就选用了聚合物体系,为了让电动车能在室温下正常工作,博洛雷集团特意为每辆车配载了加热器,发动前将电池系统升温至60℃至80℃。

而氧化物体系的优点是综合性能佳,但电极之间的界面电阻高于聚合物体系。其中薄膜型产品对工艺技术要求苛刻,成本与规模化生产难度很大。非薄膜型产品是目前最可靠的电动汽车电池解决方案。

硫化物体系的优点是离子电导率堪比液态电解质,这也是日韩公司丰田、本田、三星和中国电池巨头宁德时代选择的技术路线。但硫化物体系的开发进度处于最初级,生产环境限制和安全问题是最大的阻碍,无法商业化量产的风险也最高。

尽管难度重重,然而,在追求未来锂电池能量密度和安全性的道路上,固态电池仍然被寄予了厚望。据了解,目前,全球范围内约有50多家制造企业、初创公司和高校科研院所在致力于固态电池技术的推进。

欧美方面,宝马集团2022年向总部位于美国科罗拉多州的固态电池初创公司SolidPower投资了1.3亿美元,计划2025年前推出搭载固态电池的原型车,2030年前实现量产。

梅赛德斯-奔驰公司今年与美国马萨诸塞州固态电池创业公司FactorialEnergy达成了战略协议,将对其投资约10亿美元金额支持固态电池研发,并于2022年开始测试原型车,五年内实现小批量产。

大众集团在2018年向位于美国硅谷的固态电池初创公司公司QuantumScape注资1亿美元,2020年又追加2亿美元。今年,大众集团宣布会在2025年在其电动车辆上使用固态电池。

日韩方面,丰田公司在2008年就与固态锂电池创企伊利卡(Ilika)展开了合作,其计划在2025年推出采用固态电池的混合动力汽车。三菱、日产、松下等企业也都加速了固态电池布局。据了解,目前丰田公司拥有固态电池全球相关专利1331项,居全球第一,松下272项位居第二。

国内方面,蔚来汽车在去年1月9日的NioDay上发布锂能量密度为150Wh/kg的固态电池,其计划2022年第四季度实现量产。宁德时代方面此前表示,公司第一代固态锂电池的能量与目前的锂离子电池大致相同,预计2025年推出,第二代固态电池有望在2030年后推出。除此之外,孚能科技、蜂巢能源、赣锋锂业等国内企业也都宣布了固态电池的布局。

陶冬:OPEC+减产,非农就业强劲,打乱了股市债市的十月攻势

陶冬为中国首席经济学家论坛理事,瑞信董事总经理、亚太区私人银行高级顾问

美股在抢跑中开始了第四季度,但是气力不足。十月份的最初两天,美国股市录得2020年以来最好的表现。债市也同样好调,资金下调了联储加息预期。然而,乐观情绪很快遭到两次重击,先是OPEC+宣布每天减产200万桶原油,布伦特原油期货价格登上每桶96美元。接着美国非农就业数据显示就业市场依然炽热,美债全线下滑,两年期美债收益率突破4.3%,全球股市先涨后跌,美元指数先回后升。英国政府被迫收回部分减税措施,英镑汇率一度大幅反弹,但是未能企稳。日元反弹也未能企稳,再创32年来的新低,日本外汇储备却一个月内下降了540亿美元。澳大利亚央行将加息力度下调至50点,小过市场预期。金价一度大升,不过油价扬起、非农强劲拖累了黄金的表现。

美国九月非农就业增加了263K,这是一年半来增加人数最少的,低过上期的315K,可是这个数字不仅高过市场预计的250K,也高过后周期阶段应有的就业水平。休闲和服务业的就业增加最为显著,表明美国消费依然强劲,工资压力依然巨大。时薪较上月再增长0.5%,失业率意外下降了0.2个百分点。这组数字应该不会改变FOMC在11月加息75点和12月加息50点的既定路径。

在沉寂了两个星期后,美元汇率再度发力,DXY今年以来累计升值17.5%。美元最初升值时候,各国还有窃喜的感觉,但是近来的看法发生了明显改变,纷纷出招干预本国货币的过度贬值,因为本币汇率的大幅下挫,进一步放大了能源和食品在本国的价格,加重了通胀压力。强美元同时吸引更多海外资金流入美元区,减轻了美国的流动性压力,但对其他国家就带来更大的流动性压力。连联储副主席也在谈论联储政策的外溢效应。

为了抗衡联储的大力加息,多数国家选择与联储同步加息,这样做理论上可以稳定住汇率,但是对受到能源危机和高通胀夹击的经济又构成新的打击。日本是一个例外,日本选择了直接干预汇市,央行突然干预曾经让日元汇率迅速拉升了近300点,不过效果难以维持,上周日元对美元再次跌破145关口。很明显,美国的货币政策挟持了美国以外国家的货币政策。

这种各国竞相升值的现象,被称为逆向货币战争。过去的货币战争是央行之间比烂,通过汇率贬值争取出口优势。现在各国就竞相加息,来避免汇率过度贬值和进口型通胀。上世纪八十年代和九十年代先后出现过美元超级周期,给世界带来了巨大的震荡,每一次都有国家在经济、汇率、债务问题上顾此失彼,对部分国家更催生出危机。

由于房租等惰性通胀成型,笔者相信美国的通货膨胀并不容易回落到政策目标区间,明年联储继续加息的机会大过转身减息的机会。这种环境下,美元易升难跌,在美元的超级周期中,务必小心金融风险,务必关注金融脆弱性。

英国特拉斯政府上个月公布了经济刺激方案,大手笔减税,同时对企业和个人进行能源补贴。这份被称为“小预算”的新政志在拉动经济,但是没有给出减税450亿英镑的资金从哪里来,也没有解释为什么在双位数通胀的情况下还要刺激经济。而且“小预算”基本上是乱撒钱,除了对GDP有一时性的拉动外,并不能产生长远的结构性的帮助,但是财政赤字的大窟窿却需要很多年来填补。

这项措施一宣布,市场对特拉斯政府维持可持续财政状况的信心就坍塌了。国债是“零风险资产”,一般长期基金如退休基金都会加杠杆投资。国债价格暴跌,逼迫所有杠杆投资者需要填补保证金,这带来新的抛售,制造出螺旋式下跌。为了制止市场恐慌,英格兰银行被迫入市,承诺购买650亿英镑的国债,这才稳定住了市场情绪,不过央行新的QE和之前的加息就显得格格不入。

面对市场的强烈反应,首相和财政部长一开始还态度强硬,拒绝向市场妥协。不过英国民意沸腾,党内反对声音巨大,最后内阁不得不收回取消45%最高税率的措施,英镑止跌反弹,此事对他们两人的仕途是重创。

英镑已经严重超卖,获利回吐带来了汇率反弹。只要英国央行坚持和联储同步加息,英镑再创新低的机会不大。然而,英国经济面临双位数通胀和经济衰退的双重打击,货币政策遭遇两难,汇率反弹动力不足,需要时间慢慢消化。特立独行的特拉斯政府不仅在减税问题上,而且在脱欧关税区和医疗体系改革等一系列问题上,都有可能让市场感到意外,所以短期的政策风险挥之不去。

OPEC+决定削减每天原油产量200万桶,是2020年以来最大的减产计划,相当于全球原油供应的2%。市场预期减产100-200万桶,OPEC+决定200万桶,象征意义很大。其实很多产油国的产能已经达到了极限,原先的额度都用不完,所以真正减少的产量大约在100-110万桶之间,但是喊出200万桶,却是一个历史性标志。
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