全球车企热捧的钙钛矿电池什么来头?

发布时间: 2024-07-01 19:20:13 发布者:企业新闻

  在电动汽车上贴一层太阳能薄膜,由此能够产生足够的电能驱动车辆。这一美好愿景,有望在不远的将来变成现实。这种正在加速从实验室向产业化过渡的“薄膜”,就是钙钛矿电池。

  近日,比亚迪发布投资者关系活动记录表,其中表示,比亚迪正积极布局钙钛矿电池技术。无独有偶,长城汽车旗下光伏企业极电光能有限公司(以下简称“极电光能”)日前宣布,经权威机构认证,公司研发的810.1cm²大尺寸钙钛矿组件稳态效率达到19.5%,再次刷新纪录……慢慢的变多的业内外企业都在积极抢入钙钛矿电池技术新赛道,这一赛道正慢慢的变火热。

  公开资料显示,太阳能电池可大致分为三类:第一代晶硅电池、第二代化合物薄膜电池以及第三代新型电池。钙钛矿电池属于第三代新型太阳能电池,是指以钙钛矿材料为基础的太阳能电池,具有高光电转换效率、轻薄柔性等优点。作为最具前景的下一代电池技术之一,钙钛矿电池正受到市场追捧。

  “比亚迪已积极布局了钙钛矿电池技术。”比亚迪方面表示,随着晶硅光伏技术持续迭代更新,公司实现从PERC(发射极钝化和背面接触电池)技术向N型TOPCon(隧穿氧化层钝化接触电池)和HJT(具有本征非品质的异质结)电池技术的转变,并积极布局钙钛矿电池技术,推动电池转换效率屡创新高,激发技术创新活力。实际上,比亚迪早在2008年就成立了拥有独立光伏业务的商洛比亚迪实业有限公司,并投资5亿元启动了多晶硅和太阳能电池项目。

  与比亚迪相比,长城汽车对光伏产业的布局相对较晚,但研发进展较快:长城汽车自2017年就招揽人才开始了钙钛矿电池研发技术;2020年4月,极电光能落地无锡;2022年8月,极电光能宣布,在江苏省锡山经济技术开发区建设全球首条GW(吉瓦)级钙钛矿光伏组件及BIPV(光伏建筑一体化)产品生产线吨钙钛矿量子点生产线、全世界创新中心及总部大楼,计划投资总额30亿元。

  值得注意的是,近两年,多家电池、能源甚至互联网等企业都在“跑步”入局钙钛矿电池赛道。2022年底,大力布局钙钛矿电池的协鑫科技宣布完成5亿元人民币的B+轮融资,而先后参与其融资的不仅有腾讯,也有宁德时代董事长曾毓群任法定代表人的宁德瑞庭投资有限公司。今年7月和8月,深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司两次发布募资公告称,公司拟募资用于钙钛矿及钙钛矿叠层设备产业化。

  “正如汽车智能化吸引了众多科技公司跨界入局一样,在汽车电动化发展势头迅猛、动力电池多种技术路线竞争的格局下,慢慢的变多的公司开始跨行业押注钙钛矿电池。”吉林大学汽车工程学院教授李明向《中国汽车报》记者表示,正是因为钙钛矿电池潜在的商业化前景,引发了众多企业的抢入,包括中国核电等能源巨头也在重点布局钙钛矿光伏电池业务。

  国外同样在大力布局钙钛矿电池。今年5月,美国光伏巨头First Solar豪掷8000万美元(目前1美元约合人民币7.15元)收购欧洲钙钛矿技术领先企业Evolar AB。今年6月,源自日本京都大学的日本Enecoat Technologies科技公司与丰田汽车宣布,将共同研发被视为新一代光伏电池首选的钙钛矿电池。Enecoat计划通过与丰田合作来解决钙钛矿电池大型化和耐久性课题,逐步推动实用化。双方计划将钙钛矿电池发电效率从目前与晶硅光伏电池基本相同的水平提升五成,力争到2030年将钙钛矿电池搭载于纯电动汽车上。

  “任何一项具备极其重大价值的先进的技术,都会在全世界内引发各层面的关注。”深圳先进技术研究院研究员余荣锦对此表示。

  “从严谨的科学角度上看,钙钛矿不是一种天然矿物质,而是一种晶体结构化合物。理论上,它对于可见光具备非常高的吸收和转化效率,具有能制备高效率光伏电池的特性。”北京大学新能源材料与技术实验室主任其鲁教授和记者说,与现在大量应用的晶硅光伏电池相比,钙钛矿电池拥有较多优势。在电能转化效率上,晶硅电池理论转化极限效率为29.43%,钙钛矿电池理论上单层结构转化效率可达33%,双层结构可达44.3%;至于重量,晶硅电池每平方米重量为10~15公斤,钙钛矿电池厚度约为1微米,相当于一张A4纸厚度的1%,实际产品重量为晶硅电池的1/10,且透光性好,可以弯曲,因此将来除了电动汽车能轻松实现整车覆盖,还能用于可穿戴设备上。

  当前,钙钛矿电池的研发技术速度正在提速。“钙钛矿电池技术只用了10年时间就走过了晶硅电池数十年的发展历史,实验室的转化效率也在不断的提高,但现实难题客观存在。”华东汽车新材料技术研究院研究员林澍文向《中国汽车报》记者介绍,一方面,晶硅光伏电池转化效率由最初的3%提升到目前的26%左右用了近80年时间;而钙钛矿电池转化效率由3.8%提升到目前的20%左右,只用了10多年时间,技术进步速度较快。另一方面,由于很多钙钛矿电池研发机构将开发重点放在提升转化效率上,量产工艺等问题依然有待破解。主体问题包括,在材料上,钙钛矿电池相较晶硅电池理论上有显著降本增效优势,但钙钛矿及电池器件相关材料稳定性存在先天缺陷,轻易造成组件在运行过程中寿命衰减较快,因此目前钙钛矿电池组件的转化效率只有理论值的一半左右,而且现在的钙钛矿电池使用寿命最长约为2~3年,与晶硅电池使用寿命25~30年相比,实用价值不足。在量产上,与实验室实验所用的基本为1cm²左右的样本不同,一些实验室制备方法不足以满足钙钛矿电池大规模量产要求,即使是目前相关企业少量制造的钙钛矿电池组件也是成本比较高,难以投入大规模商业化应用。此外,钙钛矿电池制备过程中前驱体溶液含碘化铅,需要寻找既可提升性能、又能环保达标的替代金属。

  “钙钛矿电池目前面临的技术难题之一,是尽快实现低成本的从实验室到商用的过程。即使目前有企业制造出的钙钛矿电池组件转化效率达到19.5%,依然低于目前大量使用的晶硅电池组件商业化应用22%左右的转化效率。”余荣锦认为,理论上,钙钛矿电池可制成叠层结构或钙钛矿与晶硅电池叠加的结构,能大大的提升转化效率,但这也会带来工艺成本更高的问题。

  “电动汽车是未来钙钛矿电池最有前景的应用载体之一。”李明表示,车身、车顶、车窗等处都是钙钛矿电池在汽车上应用部署的重点位置。例如,在车身上,钙钛矿电池可当作车身涂层来实现光伏发电,国内外已有汽车制造商开始对此做试验。同时,车窗可以在玻璃中嵌入钙钛矿电池,车顶能安装钙钛矿光伏电池板,为车辆提供电力支持等。

  今年年初上市的新新一代丰田普锐斯Prime插混版车型,可选装1m²传统晶硅太阳能车顶光伏板,选装价约合人民币1.44万元,据称能够最终靠太阳能充电系统每年最多增加1250公里的续驶里程,利用太阳能转化的电能数据会实时显示在车内显示屏上。按此计算,平均每天可增加3公里多的续驶里程。如果未来换成更高效的钙钛矿电池,转化电量和续驶里程都会大幅增加。

  “在新能源汽车上加装光伏电池板被称为CIPV(汽车集成光伏),是将光伏与新能源汽车结合的产物。”林澍文表示,当下,CIPV多数是通过在车顶安装光伏电池板为新能源汽车补能,或支持车载供暖、通风和空调系统等。不过,CIPV仍处于起步阶段,主要使用在的是晶硅光伏电池板。目前,2024款丰田普锐斯Prime、日产聆风、卡玛菲斯科Revero、现代索纳塔和艾尼氪5等车型均可选装太阳能车顶。如果未来钙钛矿电池转化效率提升,可用于车顶、车窗等为新能源汽车补充更多电能。

  “近年来,国外已有多家企业尝试制造太阳能汽车,但发展太阳能汽车应该有更多系统化创新思路。”余荣锦表示,应以系统化思路重新审视太阳能汽车,围绕钙钛矿电池,从汽车整体及各主要零部件方面做适应性的优化和设计。例如,在车载能源上,随着钙钛矿电池技术的持续不断的发展,其产品转化效率将逐渐接近理论值。另外,也可采用叠层等方式提高转化效率,由此减少或直接去掉重量占比较高的锂电池,达到降低车身自重、增加续驶里程的目的。在车身上,可采用更多轻质高强度新材料、一体化铸造等新工艺,既能大幅度降低重量,也能降低能耗。

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