关于我们 | English | 网站地图

固态电池来了?会对新能源汽车行业带来哪些变化?

2021-01-14 15:14:58 中国能源网   作者: 张学坤  

近日,蔚来汽车CEO李斌在“2020NIODay”上推出了旗舰级轿车ET7,而且宣布在2022年Q4装备150kWh的固态电池。这也让固态电池概念再次成为关注的焦点。

固态电池被认为是电动汽车锂电技术的制高点,是未来拥有广阔发展前景的动力电池。如果固态电池能够实现量产并具有经济性,那么不仅是电动汽车行业,整个汽车行业都将迎来颠覆。

固态电池的优势:

1、能量密度高,主流的三元锂电池技术的能量密度上限为300Wh/kg,目前的电动车搭载的动力电池能量密度基本只有170-180Wh/kg。而固态电池的能量密度的理论上限能达到700Wh/kg,而做到300Wh/kg是很容易的事情。固态电池的能量密度基本高出液态三元锂电池一倍。

2、质量轻、体积小。使用固态电解质后,固态电池的结构与液态锂电池已经不同,可以直接用金属锂做负极,而不是像三元锂电池一样用嵌锂的石墨做负极。这这样可以明显减轻电池的重量,也间接提升了电池的能量密度;在三元锂电池中,需要使用电解液和隔膜,二者能占电池体积的40%。而如果用固态电解质替代电解液,电池正负极之间的距离能够大幅缩小,这样可以大大减小电池的体积和质量。

3、更安全。固态电池使用脆性的陶瓷材料,厚度下降到微米级后可以弯曲,材料会变得有柔性。同时全固态动力电池在轻、薄化后安全性也会有明显的提高,能够避免三元锂电池在大电流工作时析出的锂枝晶刺破薄膜而导致的自燃和爆炸。

目前固态电池的技术路线:

1、固态聚合物

随着液态聚合物的发展,固态聚合物电池的技术也不断进步,固体聚合物电解质(SPE)由聚合物骨架和锂盐组成,聚合物的单体中含有O、N等原子,能和阳离子形成高分子盐。现在被广泛研究的固态聚合物电解质(SPE)有含锂离子的陶瓷、玻璃等无机材料。固体电解质不需要隔膜,所以需要有一定的机械稳定性。

最近几年在材料分析、聚合物骨架设计调控、新型盐、单体和粘结剂的研究方面都有了进展。目前先进的合成和加工方法、开发界面和相间层的调控技术十分关键,实现SEI和CEI层的控制对于更持久、成本低、可持续、工业化的电池生产过程至关重要。

2、氧化物薄膜

薄膜电池厚度可达微米等级,曾被视为医疗及穿戴市场的最佳解决方案,但其类似半导体溅镀式生产工艺,设备费用高昂,对环境要求极高,因此量产不易且成本十分高昂。氧化物薄膜电池的量产商用化路程尚待观察。

3、硫化物

硫化物体系的特点是具有较高的电导率,部分电解质可达到接近液态电解液的量级。但缺点在于稳定性不好。由于硫化物电解质对正极的适配性差,而且对水和空气高敏感,反应有可能产生有毒物质,另外氧化和还原的稳定性也偏低,导致硫化物体系制作工艺复杂、投放资源极高。

4、氧化物

氧化物包含NASICON、LISICON、Garnet等几类无机氧化物,该体系整体的特点为较高的电化学稳定性、机械强度、高窗口电压,可在一般大气环境下以相对低廉的工艺设备及厂务设施生产。整体的缺点在于界面问题突出,电导率相对较低,大部分体系柔性有限显著提升了电池制造的难度。

电池企业纷纷布局固态电池

近两年,随着电动车行业的发展,固态电池量产的呼声越来越高。国内企业也纷纷开始投资建设固态电池生产线。目前市场上有固态电池技术储备的有清陶能源、宁德时代、赣锋锂业、辉能科技等公司。其中布局固态电池发展规划如下:

辉能科技:

辉能科技成立于2006年,在2013年实现了固态锂电池的商业化量产,早期应用于消费电子领域,近年来重点布局电动汽车领域。

辉能科技同时提供固态铁锂和固态三元两种产品方案。针对高续航的高端车型,提供兼顾安全性和能量密度的固态三元方案,针对不追求续航的平价车型,则提供固态铁锂+风冷的方案,可以实现更简化的设计和更低的成本,其固态铁锂系统成本可低至85美元/kWh。

在产能规划及布局上,在台湾辉能科技已经于2017年建成了40MWh的中试线,并实现自动化的卷式生产。2019年,辉能科技与蔚来合作,为蔚来生产“MAB”固态电池包。2020年预计完成1GWh固态电池产线的试车,2021年开始量产,2023年全固态电池试产。

辉能结合车企和零部件企业在产业链上的价值分工、与地方政府的政策和资金支持、再搭配辉能的电池技术,可以筹划建立固态电池产业集群。预计到2025年将建成35GWh固态电池产能。此外,还将进一步规划全球产能布局。

宁德时代:

2016年,宁德时代正式宣布在硫化物固态电池上的研发路径。目前容量为325mAh的聚合物锂金属固态电池能量密度达300Wh/kg,可实现300周循环以容量保持率82%。全固态电池还在开发中,预计2030年后实现商品化。

宁德时代表示目前全固态电池还在开发中,也制作了样品,但要实现商品化,恐怕要到2030年以后。

国轩高科:

2017年,国轩高科开始着手研发固态电池及固态电解质。2018年3月,宣布半固态电池技术目前已处于实验室向中试转换阶段。2019年,推出半固态电池的试生产线。预计2022年开始进行固态电池技术的迭代升级,生产高安全固态电池;2025年后生产出能量密度超过400Wh/kg、循环800次的全固态电池。

清陶新能源:

清陶新能源是国内较早开展全固态锂电池技术研发的团队之一,由清华大学南策文院士团队创办,在固态锂电池领域申报的专利已近100项。目前,清陶能源开发的全固态电池,单体能量密度可达到430Wh/kg,量产阶段可达到300Wh/g以上。

2018年11月,清陶新能源建成的全国首条固态锂电池产线正式投产,产能规模为0.1GWh,总投资1亿元,已经量产出第一批固态电池产品,目前可日产1万颗电芯,产品主要应用于特种电源、高端数码等领域。

2019年7月,清陶新能源年产10GWh固态锂电池项目在江西省宜春市签约。该项目将分两期建设,总投资约55亿元。其中项目一期投资5.5亿元,将建设年产1GWh的固态锂电池项目,计划今年年底投产;项目二期投资49.5亿元。

赣锋锂业:

2017年,赣锋锂业与中科院宁波材料所的许晓雄团队合作,正式开始固态电池板块研究。2018年,固态电池的研发取得新突破,同年8月份正式启动2亿Wh固态锂电池中试生产线建设项目。

2018年6月,赣锋锂业第一代固态锂电池单体容量已达到10Ah,能量密度大于240Wh/kg,可实现1000次循环后容量保持率大于90%,同时,电池单体具备5C倍率的充放电能力,目前电池研制品已通过第三方机构安全检测。

2019年1月,完成1.5亿美元D轮融资,主要投资方为软银中国资本。2019年8月,发布2019年半年度报告,第一代固态锂电池研制品通过多项第三方安全测试和多家客户送样测试。2019年11月,年产亿瓦时级第一代固态锂电池研发中试生产线已建成试产,不久将正式投产。

卫蓝新能源:

卫蓝新能源成立于2016年,目前完成了300Wh/kg以上高镍三元正极的混合固态电池设计开发,已经给多家国际国内整车厂送样测试,评价结果良好,成功通过针刺、挤压、过充、短路等滥用试验,循环寿命达到1200次以上。

目前卫蓝新能源在固态电池复合正极、固态电解质、隔膜和负极等核心材料和技术方面都有深入研究并获得了多项专利。2018年卫蓝获得了国高新和村高新认证,也是科学院科技成果转化的特等奖项目。

2017-2019年卫蓝新能源掌握原位固态化的工程工艺,初步完成核心技术体系,形成知识产权体系。2019年3月29日,卫蓝新能源固态电池一期项目落地,投资1.8亿元,建成后预计形成年产1亿瓦时固态电池的生产规模。

对锂电行业的影响

蔚来本次发布的ET7所搭载固态电池其实是半固态电池,只是固液态过渡技术。半固态电池所采用的固液电解质相较于液态电解质提升了安全性能,但固态物质的离子电导率低于液体,因此固液电解质的锂离子电导率可能会有所下降,带来倍率性能的下降。

对于隔膜环节,半固态电解质在有效阻隔正负极接触方面仍有失效风险,因此仍需要隔膜。对于负极材料环节而言,硅碳负极本就是负极材料企业的技术储备之一;对于电解液环节而言,仅是物理形态的改变,原有溶质和溶剂技术并未发生重大改变。即使半固态电池规模化量产,预计对现有锂电产业不会形成太大冲击。

而全固态电池在理论上仍有很多难题,一是常温下固体电解质的锂离子电导率低,二是固体电解质与电极材料之间的固相界面阻抗大。此外,新技术因为材料体系的更新、生产工艺不成熟度原因,成本降低还需要一段时间。因此,全固态电池在倍率性能、成本等方面竞争力不强,产业化仍需时日。




【中国能源网独家稿件声明】 凡注明 “中国能源网”来源之作品(文字、图片、图表), 未经中国能源网授权,任何媒体和个人不得全部或者部分转载

责任编辑: 张学坤

更多

行业报告 ?