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号角已吹响!固态电池酝酿大机遇?

2021-12-01 08:23:53 香港财华社

量产虽看似遥远,但号角已吹响,各方势力都在发力猛攻,如果固态电池真的成功实现商业化量产,行业就要来一次大洗牌了……

当液态电池发展到一定瓶颈时,必定会有新技术的出现,而在这些新技术中固态电池又是大热门。固态电池,被称为未来锂电池的发展新方向。相关机构预测,2020-2030年我国固态电池出货量将高速增长,至2030年或将突破250GWh,2030年全球固态电池市场空间有望达到1500亿元以上。

固态电池的优劣势

固态电池与目前主流的传统锂离子电池最大的不同在于电解质。固态电池则是使用固体电解质,替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。而传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。正负极材料决定了电池的容量,电解液及隔膜作为传输锂离子的介质。这个就是本质的区别。

目前,业界正在开发的固态电池按电解质的类型主要可分为三种,即聚合物,硫化物与氧化物。其中,聚合物电解质属于有机电解质,而后两种属于无机电解质。比如,宁德时代的固态电池技术以锂硫化物化物为电解质的主要成分,通过添加硼元素来提高电解质的电导率,改善电池的循环性能;而比亚迪采用了锂氧化物作为全固态电池的电解质,这类电解质本身的电导率极低,但是比亚迪通过自己的专利技术提高了锂氧化物的电导率和力学强度,使得固态电池具有更加优异的电池循环性能和高倍率充放电性能。

与传统锂电池相比,固态电池更安全、能量密度也更高、循环性能更强,在电动汽车电池市场潜力巨大,这也是各大电池厂商、车企纷纷试水固态电池,深受资本青睐的原因所在。

安全性方面,液态电解质的电池易燃易爆,容易造成安全隐患;而固态电解质可以抑制锂枝晶、不易燃烧、不易爆破、无电解液走漏、不会在高温下发生副反应等,在大电流下工作不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路,不会在高温下发生副反应,安全性有保障。

能量密度方面,采用全固态电解质后,电池可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这可以大大减轻负极材料的用量,使得整个电池的能量密度有明显提高,固态电池研发可提供的能量密度基本可达300-400Wh/kg,甚至更高。

循环方面,固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜的问题和锂枝晶现象,大大提升了锂电池的循环性和使用寿命,理想情况能够达到45000次左右。

任何事物都是有双面性的,有优点必定有缺点的存在。固态电池也不是万能的,也存在对应的缺点。

其一是界面阻抗过大。固态电解质与电极材料之间的是以固态状态存在联系的,因此电极与电解质之间的有效接触较弱,离子在固体物质中传输动力学低,就会造成界面阻抗过大的问题。

其二是成本高。据了解,液态锂电池的成本大约在120-200美元/KWh。这成本价就很难降下来,所以很多的电池厂家都退而求其次,先研发更便宜但能量密度也不差的半固态电池。

尤其是在成本方面,决定着其商业化的进程,成本高是硬伤。

多家企业加码固态电池业务

其实早在2019年7月16日,宁德时代就申请了固态锂电池技术,较早入局,2019年7月25日,比亚迪紧跟其后也申请了固态锂电池技术。

从这两家电池巨头截然不同的固态电池技术路线可以看出,宁德时代的固态电池将会在能量密度上具有一定的优势,而比亚迪则更加看重电芯的安全性和可靠性。

近期,蔚来半固态电池供应商卫蓝新能源将获得来自小米集团、华为等战略机构的投资,该项目估值50亿人民币,获得投资额约5亿元。消息人士透露,华为、小米和顺为资本在8月已经签字,决定投资卫蓝新能源。目前,小米方面已经进入交割程序。

卫蓝新能源成立于2016年,总部位于北京,在北京房山、江苏溧阳和浙江湖州拥有3大生产基地,公司专注于混合固液电解质锂离子电池和全固态锂电池的研发、生产。

据悉,蔚来的半固态电池方案正是由北京的卫蓝新能源提供。而这也是蔚来与宁德时代合作以来,首次引入第二家电池供应商。

无独有偶,一家叫辉能科技的固态电池企业在近期也完成新一轮融资,融资金额为3.26亿美元(约合20.85亿元人民币)。本轮投资方包括春华资本、丹丰资本和软银中国。

此次融资,将主要用于辉能固态锂电池量产建设及全球扩产规划,旨在促成公司在2023-2025年间于亚洲、欧洲及美国的扩厂建设,以满足主流车厂对优质动力电池当地制造和当地供给的需求,从而加速为其新能源汽车战略合作伙伴提供固态电池解决方案。

辉能科技成立于2006年,发明了全球第一款固态锂陶瓷 (Lithium Ceramic Batteries, LCB) 电池,目前固态电池技术处世界前沿,拥有近500项固态电池专利。2020年,其45.1安时(Ah)的大容量电池产品在专业技术监督公司德国莱茵(T V Rheinland)实验室中完成了动力电池第三方测试并取得报告。

不久前,上市公司珠海冠宇相关负责人表示:“我们应用固态电解质膜和专用正极材料,制备出了能量密度高达350Wh/kg的固态电池样品。”虽然只是样品,但也走出了至为重要的一步。

除了国内,我们再看看海外情况。日韩在固态电池的发力最猛,未来或将成为国内的强劲对手。

韩国电池制造商SK Innovation将向福特汽车支持的固态电池开发商Solid Power公司投资3000万美元,联合生产车规级固态电池。SK Innovation将采用Solid Power的硫化物固态电解质、专利电池设计和生产工艺。

硫化物固态电解质有何奥妙?“锂离子电池固态化,在大幅提高安全性的同时,可兼具高能量密度和高功率密度。Solid Power使用的硫化物固态电解质,具有较高的离子电导率、较好的机械延展性以及与电极良好的界面接触等优点,因而是目前最有潜力和前景的新技术之一。

Solid Power首席执行官Doug Campbell指出:“固态电池可能会使电池组变得非常简易,最终促使成本降低。制造商可以利用现有工厂生产固态电池。公司希望到2026年将这项技术商业化。”

韩国现代集团旗下两大品牌现代汽车和起亚汽车之前曾宣布将与美国的一家叫Factorial Energy的电池厂商合作,共同开发车规级固态电池。

在现代官方发布的信息中,透露了Factorial Energy已经基于“FEST”(因子电解质系统技术)取得了突破性进展,该技术利用特殊的固体电解质材料,利用高压和大容量电极实现安全可靠的电池性能。

“FEST”相比传统的锂离子电池技术更为安全,应用该技术生产的电池拥有高能量密度的特性,可在成本接近的条件下将纯电动车的续航里程有效延长20%-50%,而且与目前的三元锂电池技术在规格和生产流程方面有兼容性,只需较低成本改造现有三元锂电池的制造基础设施即可投产。

韩国的电池巨头LG能源当然也不甘落后,也正在开发全固态电池,官宣预计2026年实现量产。

日产汽车公布的2030年远景目标,计划在未来五年内投资2万亿日元,加速其汽车产品线的电气化和技术创新速度,其中计划在2028财年推出搭载全固态电池的电动车,并将成本降至75美元/kWh。日产预计,至2026 财年其全球电池产能将达52GWh,2030财年进一步提高到130GWh。

丰田汽车在固态电池研发上也不落后,其推出的固态电池原型车已开始测试,有望2025年前后量产。

短时间内还无法量产?

量产的难题在于:一是,电解质目前的四种技术路线(分别是聚合物、薄膜、硫化物和氧化物)各有不足,如薄膜固态电池和氧化物固态电池难以研制大容量动力或储能电池;

二是,聚合物固态电池无法在室温下工作且难以兼容高电压正极;

三是,还要解决固态电解质材料的锂离子电导率偏低、固/固界面接触性和稳定性差、电解质对空气敏感等问题;

四是,是生产工艺不成熟,由于技术路线不确定,难以做到像现有三元锂电池那样成熟;

五是,现阶段制备工艺复杂,整体生产成本过高。

由此可见,无论是技术层面,还是经济层面,固态电池的号角虽已吹响,但距离商业化落地还很遥远,相关机构预测,距离固态电池规模化量产预计还需要5-10年时间。

电池大佬宁德时代曾表示,目前固态电池商业化很难:“公司在固态电池方面已有多年研究,现阶段全固态电池里面仍有科学难题还未解决。虽然公司已做出固态电池样品,但相关指标离实现商业化还有较长距离 。”

蔚来汽车宣布将于年内量产ET7,而这款车也是该公司首款应用固态电池的产品。据悉,顶配版蔚来ET7将配装150kWh固态电池,续驶里程达到1000公里。但资料也显示,该款固态电池是90%固态+10%液体电解质的半固态电池。

半固态电池是一种过渡性技术,依据现有锂电池制造条件完全可以量产。在目前常见的NCM811电池基础上,向负极材料中添加硅碳元素,就可以制造出半固态电池,技术上并不难实现,比如蜂巢能源发布的果冻电池也是一种半固态电池,已具备量产条件。

在代表技术创新发展方向的固态电池方面,率先抢占技术制高点是关键,这也是率先量产及占据市场优势地位的关键。

量产虽看似遥远,但号角已吹响,各方势力都在发力猛攻,如果固态电池真的成功实现商业化量产,行业就要来一次大洗牌了,那么原来的锂离子电池的细分赛道——电解液与隔膜的市场地位是不是就岌岌可危了?保持警惕,拭目以待。




责任编辑: 李颖

标签: 固态电池 锂离子电池

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