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本田全固态电池有产线了?

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昨天在网上看到了一些关于本田宣传全固态电池进展的新闻,感觉还是有点意思的。刚刚在网上扒了一下这些原始新闻和视频(参考文献在文尾),有一些简单的分析和推测,在此和大家分享一下。



产线和开发工作目前状态  

Honda is developing all-solid-state EV batteries in-houseto power up its next-gen vehicles. It’s not “merely trying to establish alab-level technology,” Honda is eyeing mass production in the coming years.

The line is located at Honda’s R&D facility in SakuraCity, Tochigi Prefecture, Japan. Honda will use the demo line as a preface formass production while determining the basic specifications of the batterycells.

本田在为下一代车开发全固态电池,而且目标不是说光想实验室产,而是一定要接下来几年实现这个电池的量产。产线在本田研发的Sakura市,Tochigi县。然后这个示范线可以为量产打基础,以及同时确定一下电芯的基本参数规格。

评论:其它没啥,为量产打基础都正常,但是这个确定一下电芯的基本参数规格“while determining the basic specifications of the batterycell”就比较有意思了,起码可以说明,这个电芯的设计方面大概率目前并没有多高的成熟度,可能就是个A1这样的成熟度(如果他们也这么细的区分出什么A0, A1,A2样阶段的话)?而这一点其实也与全固态电池行业目前的成熟度情况应该是有一定相关度的,动力级的样品逐渐开始有人能拿出来了,不过综合性能咋样?设计定型没?常温工作能力如何?那可真就不好说了——所以你当然也就还是个A样了,不然呢?  




2030年前电动车发布,产线占地27400m2

Honda plans to launch electric models with the new all-solid-statebattery tech in the “second half of the 2020s.”

The new demo line replicates the processes required for mass production.It covers around 295,000 ft2 (27,400 m2) and is alreadyequipped with the tools to verify each production process, including weighingand mixing electrode materials, coating, and roll pressing electrodeassemblies. The line also supports the formation of cells and the assembly ofthe module.  

本田建了这个原型-试制示范线,本线占地27,400m2,设备基本与量产一样。目前的状态是正在验证(预/试)生产的工艺参数。然后该线还可以做电芯化成,模组组装。然后目前的计划是(从这条线出来的?)固态电池在2026-2030年之间可以装车产品推向市场。

评论:设备的自动化-量产放大已经考虑了,到时候想量产应该是直接复 制粘贴扩产能/设备就可以,这点还不错。当然在这里自己也说研究工艺参数,这个就很正常了,全固态电池,材料方面硫系难搞,而在工艺上对应的整个材料体系固态化带来的设备和工艺的全线调整可不是个小事,这块后面应该会且花功夫(比如组装电芯用的大压力,比如这个电解质膜的处理,厚度优化等)。  

说实话,考虑到本田的电池目前成熟度大概率也就A样,其实建这么一条示范线个人认为有可能略早(如果只考虑一般开发流程),不过如果还有其它考虑因素那当然逻辑就不一定了,往好处说可能是干脆电芯开发设计优化指标定型与大型设备完全同步做(对于一些新体系可能是有意义的,往前赶),但是是不是还有一些其它考虑,目前就不容易知道了。  

以及目前的装车上市计划是2026-2030年这样——到是基本也与前面推测的A样成熟度呼应——你要是已经成熟到一定程度了可能就不会说一个这么保守的模糊区间了,大概率即使顺利上车时间也要接近29-30年,而这其实也与之前在网上看的国际上对于全固态电池上车的预估时间是接近的(吹26年上车的这种新闻笔者实在是懒的评论了,你开心就好……)  

以及最后一个,这个厂房看着是地方不小,不过考虑到后面的分析,笔者有一个猜测:这么大的厂区其实不见得都是给这个全固态电池生产的,或者有不少地方还是空的,因为在这么个成熟度阶段直接上这么大的线是有点奇怪的。  


25年初开始(试)生产,可能先要给非汽车领域使用  

Honda plans to begin production on the new demo line in January 2025.With a highly efficient production process and a wide range of use cases,including automobiles, motorcycles, and aircraft, Honda aims to slash batterycosts.  

计划示范线2025年开始(试)生产,然后用途不只是给汽车,还要给摩托飞行器等用,本田目标是可以让电池更便宜。

评论:25年初开始(试)生产,或者我的理解更接近于运行。至于不只满足给汽车使用,我倒是觉得不意外——1)本田自己本来主业也包括摩托什么的,再做点什么evtol也不是个什么大事; 2)而且从目前的行业发展情况看,似乎固态电池这些新技术也许可以先在无人机/摩托这些地方先得到性能、成本方面的更全面验证,再去攻车这个更难的堡垒。当然这个本田说自己的目标是让电芯更便宜这事你看个开心就好,没啥硬的依据(目前锂电成本结构已经非常透明,有谁说新技术可以明显更便宜的话,麻烦谁主张谁举证  



已经投了2.7亿美元来干这条线,一半钱是日本政府补贴  

"It's a game-changer of the EV era," Otsu toldreporters at Honda's pilot all-solid-state battery production line in Tochiginorth of Tokyo. Honda is investing 43 billion yen ($277 million) in the pilotline, nearly half of which is funded with Japanese government subsidies.

评论:你这条线2.7亿美元咋看都有点贵啊……谁说目标是让电池更便宜,还是说这真就是目前的一个目标呢……另外一个这个一半钱是日本政府补的:这一点我没问题,大家都可以支持自己的产业发展,就是麻烦好多傻白甜的朋友不要被忽悠瘸了,天天就想着自由市场经济无干预就万岁了——产业经济政策没有才是见了鬼,各国政府不去支持自己国家攀科技树,难道要眼睁睁的看着自己的科技和工业狗带吗?



再看看已知的生产工艺方面的信息  

Based on the conventional production process for liquidlithium-ion batteries, the Honda all-solid-state battery production processadopts a roll-pressing technique which will contribute to an increase in thedensity of the solid electrolyte layers, a process unique only to theproduction of all-solid-state batteries, and makes continuous pressingpossible. With the adoption of the roll-pressing technique, Honda will striveto increase the degree of interfacial contact between the electrolyte and theelectrodes and also increase overall productivity. Moreover, by consolidatingand speeding up a series of assembly processes, including the bonding ofpositive and negative electrodes, Honda will strive to significantly reduce theproduction time per cell. Furthermore, Honda is also working to reduce indirectcosts of battery production, including power consumption, by implementingvarious measures, including the establishment of production control technologythat minimizes the low dew point environment necessary to ensure work safetyand battery performance.

几个重要信息:Continuous densification pressing连续致密化辊压工艺来让极片更致密化(不意外,固态界面需要这保证接触),然后这种连续辊压的路线产率也比较高(生产比较连续,好理解)。其它的一些什么降本都没什么意思,不过还是说了一句强调:环境控制来降低露点——嗯还是对于环境要求比较高哦。  

当然具体看看视频里的这些截图照片,还有些更细更多的信息。看看下面的截图,然后再简单分析下:  

长电芯(像是给590模组用的那种尺寸),以及相应的极片的模样:这个倒是没啥可说的。当然偏长的尺寸,对于热管理、内阻、应力控制挑战有多大,就得看本田技研的本事了。

混料:是连续混料以及定了肯定目前起码还是湿法(配合间隙涂布)。硫系固态电池,正极混电解质是必须的,但是这又会限制可以用的混料液相使用(好多与电解质反应),这样生产成本就高了。而如果他们真弄出干法来,液相是不用使了,不过这样又与目前展示的间隙涂布的技术路线兼容性比较差。所以本身看这里的混料涂布也算没啥特别的问题,就是从很多人吵的降本-相关的任何细节来看,没什么迹象而已。

正极采用的是间隙涂布,比较有意思的是这个绝缘层的涂布(看颜色像是氧化铝),面积非常大,这在安全上搞这么大的冗余是为什么,还是为了兼容一些工艺上的考虑,就不得而知了,得后面持续研究。  

之后经过连续辊压来致密化,合理,不过工序也要比传统电池多。  

这页有意思,应该是把正极和电解质做一个卷对卷的复合(如图,正极的极片/卷的上下应该都复合了),这样才能为了下一步(图中写的Sandwichthe anode between two cathodes,就是把负极再与两片正极之间复合起来)做好准备。不过这个正负极的复合,本田整的比较小心也没上一张图,具体细节就只能猜了。  

不过考虑到工艺的成熟度,以及大面积电芯制备的难度,笔者仍然倾向于认为为这么长电芯适配的负极还是石墨或者最多复合硅的体系——这样起码材料体系处理的难度,工艺上的挑战相对小点,重点就是把固态电解质的引入混合做好就行;而如果在这么大电芯上上锂金属,恐怕很多周边问题还是比较难解决,直接在这条线上给大电芯上锂金属个人认为可能性极小  

而如果这个假设成真,个人认为30年前上车甚至(准)量产问题倒是不大,但是很可能的代价就是,出来的电芯能量密度不高,没准电芯上也就200Wh/kg多点(三元-石墨,配上更厚更重更多的固态电解质,这个组合目前状态很有可能是这样的)。这么个性能(不知道界面问题等解决的如何,内阻有多大)以及结合上成本的大概预估,到时在市场上有没有竞争力就得再看了。  



结语  

其实本田的电动化目标还是很清晰很积极的,在这次他们的公布中对于未来电动化的目标还是做了又一次的强调。虽然本文也只能基于一些基本的公开资料和细节做一些分析判断,但是总体来说本田的进展和笔者对行业的观察和理解没有特别大的偏差:有进展,有希望。不过成熟度有多高,什么时候要能给车用,是不是先在其它领域试水,似乎从本田这看也没什么意外。

当然比较有意思的几个点还是值得持续观察:1)本田的这个大产线产能与样品成熟度的关系;2)负极的使用;3)正负极复合——极卷JELLY ROLL的制备方法; 这几个方面的信息都要持续关注。

当然最后一个就是性能了,不过这次报道里性能的信息基本为零,那就先让子弹飞一会,笔者也多学习和跟一下行业的最新进展,后面有合适的机会再和大家分享。



声明  

本文为个人业余时间所作,不代表任何组织机构观点。

致谢  

感谢HanPeng提供的技术讨论~

参考文献  

https://global.honda/en/newsroom/news/2024/c241121eng.html

https://electrek.co/2024/11/20/honda-teases-all-solid-state-ev-batteries-new-demo-line/

https://www.caranddriver.com/news/a62963564/honda-solid-state-batteries/

https://www.reuters.com/business/autos-transportation/honda-hopes-double-ev-driving-range-with-solid-state-batteries-rd-chief-says-2024-11-21/

https://cleantechnica.com/2024/11/21/honda-is-building-its-own-solid-state-batteries/

https://www.you tube.com/watch?v=hH6Vhuoy-2w



来源:弗雷刘
ACT汽车UMElectric材料控制无人机InVEST
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-11-27
最近编辑:6小时前
弗雷刘
博士 动力电池 新能源行业科普
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刘博带你读文献(13)——为啥全固态电池不同组做的性能都不一个样?

的确是很久没有带来读文献系列了哈。(全)固态电池最近两年的确是比较热,以及现在学术界的很多研究也比以前深入的多了,对一些技术的核心问题都有了很有针对性的研究,对于探索其实用化的前景有着很好的指引意义。前几天读到这篇文章,涉及到了不少关于全固态电池的工艺细节和分析,因此今天在此与大家做一个分享与分析(建议大家多读和体会我括号里写的内容,很多核心观点都会在这里面不太直接的解读出来)。 发表在能源学人上的分析原文 这篇文章的研究是怎么做的? 本文一开始,人家作者就开宗明义的说了行业目前存在的问题:“To date, there is no standardized ASSB cell set-up available; multiple custom set-ups are in use but not commercially available.” ——对于全固态电池目前的电池组装,整个行业的问题都还是“没个严格通用标准,一家一个做法”。所以,做全固态电池的重复性是一个老大难问题——所以我在此想抛出一个问题供大家思考:全固态电池技术毕竟相对较新,如果其现在的发展阶段是整个学术界都还没个统一的组装-测试标准,那你觉得这个技术的成熟度为何,离工业化量产还要走几步? 所以本文研究怎么做的呢?方法很简单,也很有趣,就是一个研究组把可以商用采购到的1)单晶NCM622正极材料;2)Li6PS5Cl固态电解质;3)负极用的铟箔给21个全球不同的研究组(基本都是大牛组,大家可以自己看一下)寄了过去,然后让大家按自己的制备固态电池(不是软包,而是小容量的Pressed cells)的工艺来装电池,然后再都用统一的电化学性能测试方法(但是循环时的外加压力可能不同)来测试,然后看看大家的电池制备工艺参数,包括循环压力参数等,能够如何影响制备出电池的结果。 所以已经规定好的/统一的参数是: l正极材料,正极的复合电极的成分配比是m(正极材料):m(固态电解质) = 70:30 (不能加添加剂,手磨,面密度10mg/cm2); l电解质材料,电解质膜-隔膜:电解质层的面密度/装载量是70mg/cm2; l合金负极:铟是统一寄来的; 各组的工艺/设计变量: l电芯制备几个步骤的压力; l电芯循环的压力; l锂负极:锂片是各组自己的,包括整个负极的铟锂比也是自己定的; 具体的各组用的设计参数,如下图表,有兴趣的朋友可以自己看看。 压力:正极与电解质层复合压力,以及循环压力是最重要的 图1就给出了全固态电池PRESSED CELL组装的过程,图1a说明了四步,即先压隔膜(即电解质,用p1, t1的压力和时间,后面依次类推),第2步则是把正极和隔膜压一起,第3步是正+隔膜+负极的整个全电芯,第4步就是循环中的压力。 而图1b具体数据中,可以明显的看出,不同的组(A~U)他们用的工艺参数是很不同的,压力上五花八门,不同的步骤的压力小到几十MPa,大到 600MPa+,都有所涉及——平均的电池制备压力主要在250-520MPa,而平均的循环时的外加压力则在10-70MPa之间。(看来看去,感觉至少几十个MPa总是需要的——那你觉得这个压力要实现在实用化中会有所挑战吗?什么样的机械结构可以轻松提供这样的压力呢?) 继续图1再看c和d。c是这几步加压对应的保压时间(可见大家的值也都有所区别),整体来说大家的加压时间同样也是比较五花八门。以及在文章中作者也强调了,虽然更大的压力+长保压时间对于做好接触界面+致密化是必需的,但是也不是越大越久越好——比如NCM的颗粒要是受不了一下子跪了怎么办(没准这可能是个全固态电池的本征难题?电解质要高压力但是正极材料的二次颗粒几乎一定吃不消啊)。总体来说,工艺参数明显影响电芯中每一个部分的微结构,并最终决定了整个电池的电化学性能。 然后图d则是整个统计的电芯中能成功的:57%(注意成功的判据是:能0.1C循环50周就算成功——咦你这要求是算高呢还是算低呢?),然后在制备和循环中等跪了的电芯的确是不少,43%了(感觉这个失败率略高,不知道与材料体系的本征特点是否有关?)。 哪些电芯好?先主要研究下这三个指标性能 像传统电池装好后要进行化成一样,这里的研究装好电池后,先进行0.05C循环(基本相当于化成啦)初始处理,再进行0.1C的循环,在这个过程中,研究诸多物理量的变化,来研究一下哪些电芯好,具体会体现出什么样的特征,而且其背后的原因为何? 先研究一下这三个指标的表现。 库仑效率 图2c给出了0.05C循环做预处理前、第1圈循环、以及第50圈循环时的库仑效率数据。可见该数值整体来说比较集中,第一圈的首效ICE(initial coulombic efficiency)大概是75%左右(化成——不可逆的寄生反应,以及似乎该值比传统锂离子电池还低点),然后第1圈和第50圈时的值都比较高,第1圈时大概平均95%左右?第50圈时平均有98.6%。 评论:库仑效率好了不一定行,差了一定不行。全固态首效差这事也是值得关注的。 比容量发挥 进一步的看图2b:容量数据。这个数据比起上面的库仑效率,分散性就要大许多了,而且是一开始就比较分散,后来随着不断循环,分散程度越来越大——掉链子的越来越多了。 评论:当然不意外,不同家的参数不同,做出的电池性能五花八门,重复性不咋样,有的衰减很快,这也就是本文的核心发现嘛。 极化电压 图2d:分散性还行不是太大,以及随着循环到50圈,数据倒是还算稳定,基本都是在0.2V左右——不过话说这种电芯的组装条件其实是很利于功率发挥的(作者自己都强调了是POWER导向的),然后又是用0.1C循环,这样的条件下都还是0.2V的极化,个人觉得这内阻是不是有点偏大呀? 评论:已经评论完了。 好电芯/Best performers大概得是啥样,被哪些因素影响,通过什么维度来筛选? 更进一步的,不只看以上三个性能指标,把更多的变量/性能维度纳入,来看看用什么条件,能做出相对靠谱的好电芯/best performers? 先说一下本文的Best Performers判据:we choose cells that retain specific discharge capacities >120 mAh g−1 after 50 cycles (Supplementary Fig. 7). (说实话可能对于全固态还行,但是如果想要实用化个人认为这标准有点低……) Y轴:上到下:第一圈放电比容量,循环后的容量保持率,第二圈充电时的总内阻RtotX轴:左到右:负极合金中铟含量,循环压力,对锂的OCV,首圈循环极化电压Best performers是红色菱形,一般的电芯是灰圆圈,“离经叛道outlier”电芯则是空心圆圈 然后咱们沿着X轴一个一个看看,研究一下它们对于Y轴的几个指标的影响如何,以及与best performers的相关度是如何? 铟含量 似乎和best performer没啥明显的相关性,只是看起来基本都是在60%~90%这个区间里(话说你这用量有点高啊……),然后和Y轴这几个性能的相关度也算不上太高(没什么明显规律)。 循环压力 研究了尤其是D,F,G样品后,得出的结论:如果是1~10MPa的低的循环压力,容量保持都比较垮,建议尽量要干到25MPa以上,从图E中看趋势尤其明显。但是对于起始循环几周的容量发挥来说,循环压力的影响倒不是太大。 以及全电池总内阻Rtot似乎也和循环压力相关不太大(也许略有反比关系?)——值得思考。不过要注意的是,虽然总内阻Rtot与其关系不太大,但是从补充材料中图9可以看出R0(电解质层内部)与其明显相关——这一点基本合理,也应该与笔者在本文要最后强调的核心思想有关:正极-电解质结合界面/电解质层的内阻R0对于极化的影响很大,必需关注。 OCV 基本都在2.45~2.7V左右,以及不难看出空心的“离经叛道outlier”电芯们基本OCV都偏低(合理),所以OCV好点基本还是好电芯的必备条件。 初始极化电压 Most of the ASSB (69%) have low initial polarization voltages between 0.10 V and 0.25 V。以及最好的也就是极化最小的,基本明显对应着初始容量大+循环保持率好+内阻小的电池(不意外)。另外Rtot与这个初始极化电压,基本体现出了线性比例关系(基本上也是合理的) 所以最后总结一下Best performer的共性: 1)即使制备压力差别很大,R0 电解质层的内阻基本都在18-42Ohmcm2之间; 2)复合正极和电解质层的压力很重要(p2),处理范围必须在300-590MPa之间,1-5min; 3)全电池的压实这一步(p3),反而Best performer们基本都没有做,没有这一步对于好的循环的效果不大; 4)大部分循环好的电芯,都要40MPa以上的循环加压; 再看看电芯数据的重复性——RAGONE图研究 基于比功率和比能量这两个数据,用这以下两个表征值来研究:relative median errors (RMEs) and relative standard deviations (RSEs) (下图中的红圈和绿圈) ,见图4a, b, c。 4a和b就是第1圈和第50圈循环后的电芯放电容量的RME和RSE,基本可以看出,动辄都是10%以上的这些误差,数据可重复性实在不咋样,可见:多做平行样品,统一制备工艺和测试规范是多么的重要。 从4c结果可见,所有电芯的比功率都相似,都在2.5~5.0W/kg(可能还是因为整体来说材料涂布量,放电工况区别不大,当然这数都很低哈……)。不过相比之下,比能量差别就大了,还是主要因为发挥出的比容量偏差大的原因。 该文的作者也强调了:这种PRESSED CELL的设计,活性物质占比低,电解质厚到500……,因此这些按质量比的物理量的数值就很糟糕。而假如把这个电芯设计外推到以下条件:假设30um厚的电解质,20um厚的锂金属,正极还是一样,那数据就变成图4d,大概220Wh/kg,说是基本符合预期下限(close to the lower end of the target region.——不过说实话即使这么理想化的假设,你这个预期下限我觉得还是有点低哈)。 总体结论&乱弹 对于全固态电池的偏向于工艺/电芯设计方面的核心影响因素,本文给出了下表,并且建议学术文章里都要明确说明:处理压力,时间,加压曲线(这仨当然不意外,就是这压力似乎都有点太大了);还有锂铟比(咱能不用铟吗),正极材料装载量(不用过多评论啦)等因素。 以及特别强调了:正极复合材料CATHOLYTE以及其与电解质层的复合p2对于全固态电池的性能发挥,尤其是循环容量保持,是非常核心的步骤(劲得给够了),全电池的加压处理p3这一步反而相对次要。 不过笔者还是认为,全电池内阻-极化性能很重要,在这方面全电池压的这一下子p3这一步仍然是很重要的(降极化大 法好)。 不只是以上的因素,影响固态电池性能发挥的杂七杂八的影响因素还有很多,包括但是不限于:手套箱的气氛,正极复合材料catholyte混的均不均,集流体的情况,粘结剂的使用等等…… 总体来说,鉴定出了核心影响因素是非常好的,不过说到这我就有些问题了:那看来起码之前学术界是不是大概率还没把这些问题搞清楚?以及如果大家都还没把这些工艺和设计问题搞清楚,那这个技术的目前的成熟度为何?真的能够27年左右量产装车么? 提出问题,供大家思考。 来源:弗雷刘

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