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中日韩固态电池布局大PK

2023-06-01 09:49:15 起点锂电   作者: 宋博文  

5月,固态电池消息层出,引起热议。

首先是CIBF期间,马车动力首次展出了25Ah硫化物全固态电芯、硅基高能量密度全固态电芯等样品。同时,展会上马车动力公布固态电解质材料正式开售,可接受预订。

其次,多家企业透露固态电池产品进度。

比如,5月19日,赣锋锂业在业绩说明会上表示,公司一代固态电池已经开始量产,二代固态电池安全性能完全达到车规要求,研发样品电池的循环性能已达到车企要求。

蔚来在5月24晚间的发布会中也表示,150kWh电池包将于7月上线。该电池采用固态电解液、硅碳复合负极材料、超高镍正极材料,单体能量密度达 360Wh/kg。从发布会上展示的细节可以看到,用上该电池包的ES6,CLTC纯电续航达到930 公里,同时该电池包支持换电。

以上企业的声明无疑给了行业量产固态电池很大的信心,一时间引起诸多议论。但实际上,业内部分人认为固态电池在未来几年内根本不可能实现量产,原因是研发多年目前没有取得突破性进展,这一点日韩厂商已经做出印证。

目前来看,中外大部分固态电池项目仍处于研发阶段,已经推出的固态电池各项指标表现尚有欠缺,与液态电池相比存在技术成熟度不够、产业供应不完善等问题,因此量产商用仍需时间。

01 固态电池发展史

固态电池的发展历史可追溯到1972年,当时SCROSATI B等首次报道了一种采用LiI为电解质的固态锂离子一次电池。

1983年,日本东芝公司宣布开发一款可实用的Li/TiS2薄膜全固态电池。

但之后固态聚合物电解质没有在锂电池应用上取得实质性进展,离子导电率不高是其无法克服的障碍,没有良好的离子导电率,研发者难以知道各种嵌入型电极材料与固态聚合物电解质的电化学稳定性如何,也无法得知固态聚合物电解质在电池实际循环中的表现如何。

尽管没有明显发展,国外却没停止探索。

2011年,Bolloré推出了BlueCar,该车配备了30kWh的锂金属聚合物(LMP)电池,该电池具有通过将锂盐溶解在共聚物(聚氧乙烯)中而制成的聚合物电解质。

2013年,科罗拉多大学博尔德分校的研究人员宣布开发出固态锂电池,该固态电池具有基于铁 - 硫化学物质的固态复合阴极,有望实现更高的能量容量。

2014年,Sakti3的研究人员发布了固态锂离子电池,声称具有更高的能量密度和更低的成本。同时丰田宣布其固态电池开发工作并拥有最相关的专利。

2015年,Sakti3被Dyson收购。

在2017年,约翰古迪纳夫公布了一个固态电池的配料,即使用玻璃电解质和碱 -金属阳极包括锂、钠或钾。但此消息也没有掀起太大的水花。

与此同时,丰田宣布深化与松下长达数十年的合作关系,包括在固态电池方面的合作。其他开发固态电池技术的汽车制造商包括宝马、本田、现代和日产。

Dyson也宣布放弃建造电动汽车的计划。Fisker Inc.声称其固态电池技术将在2023年为“汽车级生产”做好准备。火花塞制造商NGK正在开发基于陶瓷的固态电池。

2018年,从CU Boulder研究中分离出来的Solid Power 获得了2000万美元的资金,用于一条小型生产线,生产全固态可充电锂金属电池,预计可产生10 兆瓦时的发电量。同时大众汽车宣布对固态电池创业公司QuantumScape进行1亿美元的投资,该公司随即从斯坦福大学剥离出来。

2020 年起,我国首次将固态电池列入行业重点发展对象并提出加快研发和产业化进程,2023 年进一步提出加强固态电池标准体系研究,目前尚未出台补贴政策,仍以市场驱动为主。

02 国外布局情况

日 本

同我国将储能作为重点发展项目一样,日本对于固态电池的研发已经达到了国策层面。

目前,日本各大厂商和研究院申请固态电池相关专利的数量是全球首位,产业化进程方面同样领先于其他国家。

日本针对全固态电池的研发主线,已经从最初的探索高性能的电解质材料,逐步转移到解决诸如电芯的试制、制造工艺的开发、充放电循环寿命等课题之上。研究重点已经进入了根据不同的应用,尝试正极材料和负极材料的适当组合,以及尝试实现大规模量产的制造工艺开发的阶段。

在21世纪初期,日本的电池占据全球90%的市场份额,然而仅仅20年时间,中韩就完成了反超。

2018年,日本经济产业省提出了汽车电动化发展的长期目标,明确将固态电池作为下一代电池的技术开发方向。

2020年,日本借助2050年碳中和战略为固态电池制定了具体的行动计划,2021年提出了《下一代电池和下一代汽车的发展》,为电池研发、材料、回收等等制定相关发展指导。

2022年8月,日本经济产业省牵头建立强大的电池制造产业带,并且借助产业带培养3万名电池制造方面人才。

这项投资共计3.4万亿日元(约245.5亿美元),其中大部分将用于固态电池领域。

在产业政策刺激下,日本锂电池材料联盟(LIBTEC)筹建了固态电池研发团队,其中包括丰田、日产、松下等企业。

2021年,日产在神奈川县的工厂内,设置了固态电池实验设备,计划在2024年建立试点工厂,在2028年正式推出全固态电池汽车

2022年,本田宣布投资430亿日元研发固态电池,预计2024年春季启动固态电池的验证生产线。

丰田是在固态电池上布局最久,也是世界上固态电池专利申请数量最多的企业,拥有1331项已知专利;第2位是松下,拥有445项专利;第3位是出光兴产,拥有272项。

可以说,日本举全国之力研发固态电池,希望借此弯道超车。

韩 国

在固态电池的研发和产业化道路上,韩国以企业界为主导,在政府部门指引下,国内各大汽车电池生产商联合开发全固态电池。

目前,韩国研究固态电池的企业主要有三星SDI、LG和现代汽车等,其中三星、LG和SK选择成立联合基金共同开发固态电池。

LG新能源则有着更大野心,宣布将在2025年至2027年间实现全固态电池的商业化,无疑,韩国人将固态电池作为了与中国车企在新能源领域竞争的又一筹码。

值得一提的是,在这一领域日韩还有联手的趋势,因为LG已经与丰田合资在俄亥俄州建设电池厂,实现了北美市场合资工厂目标之一。加上密歇根州和俄亥俄州另一家工厂,LG新能源在北美已经有了3座工厂。布局北美,是LG谋求的翻身之道。

现代没有参加以上的三家联盟,而是选择自主开发、与高校合作和外部投资的方式进入固态电池的产业链。

在专利方面,韩国分布相对比较集中,三星SDI、LG和现代占比50%以上;在技术路径方面均以硫化物电解质为主。

欧洲&美国

东亚是电池研发的重点地区,但这并不代表欧美人自甘落后,开启二次工业革命的西方人深知,电池作为电子产品的心脏不能完全掌握在中日韩手里。

与日韩联盟式研发相反,欧美企业主要采取自主研发,大型车企通过投资入局。

2017年,欧盟成立了欧洲电池联盟,组建自己的电池产业,其中成员包括德国大众、宝马以及一众国际电池巨头,2018年德国在欧盟的基础上,组建了属于自己的动力电池研究联盟,集结了巴斯夫、大众等一系列国际巨头参与,整个投资高达10亿欧元。

2019年,欧盟批准了“欧洲固态电池投资专项计划”,由欧盟牵头出资82亿欧元,用于发展固态电池。

2021年,欧盟推出2030电池创新路线图,再次加大在电池创新上的投入,其中固态电池也处在非常重要的地位。

在能源部(DOE)科学基金和国家实验室研究的推动下,美国在固态电池方面的研究取得了重大进展,并在此基础上衍生出众多初创公司,如QuantumScape、SEEO、Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials等,这些初创公司以其在固态电池技术方面的先进性,目前已分别得到了宝马、大众、现代等汽车巨头和多家风投基金的投资。

正是通过这些初创公司的技术创新能力,确保了美国进入全球固态电池研究水平的前列。

从技术路径来看,美国这些初创公司选择的技术路径以聚合物电解质和氧化物电解质为主,负极多采用锂金属。

03 国内布局提速

中国在固态电池领域的布局姗姗来迟,2019年发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》,首次将固态电池发展提升到国家战略层面,但也没有像其他国家那样组建专门的固态电池联盟,而是提出一个长期目标和政策,由大部分企业自主研发完成。

不过需要指出的是,中国虽然“赶了晚集”,但目前无论是从布局企业还是量产进度方面都处于领先地位。

据起点锂电不完全统计,目前国内布局固态电池的厂商主要有(以下企业排名不分先后):

清陶能源

目前有两个固态电池项目:一是投资5.5亿元的宜春清陶动力固态锂电池项目,21年达产,年产能1 GWh;二是昆山开发区清陶新能源固态锂电池项目,投资50亿元,计划产能10 GWh,投产后年产值将达到100亿元。

卫蓝新能源

目前已规划4个生产基地:北京房山,江苏溧阳,浙江湖州,山东淄博。

山东淄博基地,于22年2月开工,总投资102亿元,年产能20 GWh。浙江湖州基地,于21年10月启动车规级固态动力电芯产业化项目,产能2 GWh,22年6月全面建成投产,22年11月基地正式下线第一颗固态动力电芯,当月还新签下总投资139亿元的20 GWh固态电池项目。房山基地规划产能8千兆瓦,预计23年建成。江苏溧阳基地已建成0.2 GWh产能(中试线)。

宁德时代

自2012年开始,宁德时代开始申请全固态锂电池相关专利,在聚合物全固态锂电池、硫化物全固态锂电池方面均有相应的技术储备。

宁德时代目前的技术路线为凝聚态+全固态,能量密度有望达到500Wh/kg,全固态仍在开发中,预计会在2030年后实现商业化。

赣锋锂业

2016年,赣锋锂业设立固态电池研发中心,并建设全自动聚合物锂电池生产线,兼顾固态技术的研发与商业化。2022年1月份,赣锋锂业与东风汽车合作的首批固态电池电动车正式完成交付;赣锋锂业旗下储能、消费类设备电池也多有搭载固态技术及产品,以提升安全性能及能量密度。

目前,赣锋锂业子公司赣锋锂电在江西新余生产基地已具备2GWh固态电池产能、7GWh的磷酸铁锂电池产能。去年重庆新型锂电池科技产业园也开始建设,占地630亩,总建筑面积57万平方米,包括固态电池技术研究院、固态电池生产基地及电池Pack系统三个子项目。

蜂巢能源

2022年7月19日,蜂巢能源全固态电池实验室研发出国内首批20Ah级硫系全固态原型电芯。该系列电芯能量密度达350-400Wh/kg,一旦量产应用,电动车可实现续航里程1000公里以上。

国轩高科

国轩于2017年开始研发固态电池和固态电解质,不过目前推出的最新产品以及技术仍然是半固态。

比亚迪

2016年,确定固态电池为未来发展方向的基调,尝试小规模使用,将在未来10年,最快5年内推出固态电池。2017年,申请一种全固态锂离子电池正极复合材料及一种全固态锂离子电池的发明专利。2018年1月,推进固态电池项目商用,并将固态电池作为下一步研发重点,积极推进相关产品的产业化研发应用。2021年,公开硫系添加剂全固态电池专利。

辉能科技

2019年,发布Multi Axis BiPolar+(MAB)多轴双极封装技术的车用固态电池包。在相同的装车容量下,电池包体积只比传统电池包减小50%,重量减少30%,在模组层面,重量成组效率高达87%,电池包重量成组效率高达80%,同年与蔚来合作,为其定制生产“MAB”固态电池包。

2020年,完成1GWh固态电池产线试产;2021年,建成2GWh固态电池生产示范线;2022年,公开全球首条固态电池生产线。

预计2023年将放量出货电动车应用,2024年实现全固态电池量产。其能量密度达到383Wh/kg,体积能量密度为1025Wh/L,循环500次 。

万向一二三

2017年9月,投资美国Solid Power公司,并在2018年2月确认与宝马合作,双方将共同研发新一代电动车固态电池技术,同时又投资美国Ionic Materials公司,该公司研发出的特殊聚合物电解质,可将新型固态电池性能提高到全新水平。

2019年6月,与Ionic Materials共同正式对外宣布,全固态电池研发取得里程碑式进展,并称“这种独特的方法使得全固态电池有望在2022年推向市场”。2019年,在英国建立了固态电池研发中心。2020年和Karma汽车完成了合作签约仪式,为Karma电动汽车提供动力电池(含固态电池)。

天齐锂业

2017年,年报披露公司香港全资子公司使用自有资金1250万美元投入了对固态电池企Solid Energy System的C轮优先股融资,投资后持股比例为11.72%

2018年5月,开始布局固态电池,公司参股公司美国Solid Energy主要开发和生产具有超高能量密度、超薄锂金属电池,开发电解液和负极材料。

此外,平煤国能锂电、鹏辉能源、卡耐新能源、中航锂电、力神电池、中天科技、劲能科技等也有相关项目,不过均是短暂一说明后就了无音讯。

04 量产无需大跃进

固态电池之所以引起注意的一个关键导火索,在于很久前流行于新能源圈的一句话:“固态电池普及之日,就是燃油车退出历史舞台之时。”

这句话源自谁之口已无法考证,却与2022年那句:“元宇宙的出现,以及VR头显的崛起,将结束智能手机时代。”遥相呼应。

目前尽管固态电池离量产还有些距离,但有三个要点须说明。

首先,固态电池不一定带来高的能量密度。

真正提升电池能量密度的关键在于使用硅或者锂金属负极。这两种负极也正在用于液态电池,以提升能量密度。

其次,固态电池是否会更加安全,也没有得到全面肯定。

纵然固态电解质绝缘性好,不可燃、不挥发,发生形变不会导致电解质外漏,但物理性能的安全只是电池安全的一个侧面,其他领域的不安全则同样会产生隐患。

美国能源部研究发现,全固态电池在因为锂枝晶引发短路的温度比传统锂离子电池更高,而热量的释放可能会通过易燃包装或者附近的其他材料而起火;并且当固态电解质层因为各种原因而完整性受损的时候,会释放巨大的热量。

第三是量产问题。

氧化物基电解质这种材料制造工艺要求很高,需要800摄氏度以上的高温烧结才可以致密成型,对于大尺寸、超薄和无缺陷的陶瓷制备工艺有着极高的要求,对电池规模化制造带来了更大的挑战。

在生产环境和原材料纯度方面,全固态电池的要求更高,批量生产大尺寸的电解质薄膜存在困难,因此全固态电池的量产初期或只能小规模生产,用于一些对于成本容忍度更高的领域。即便到了量产阶段,全固态电池的成本至少也是锂离子电池的两倍,完全不符合新能源产业降本的初衷。

所以,完全固态还有很长的路要走,目前很多的厂商都在固态和半固态之间寻找一个过渡,既可以提高安全性,还可以降低成本。

目前国内电池厂商的固态电池技术,比如卫蓝、清陶和宁波锋锂等,是以固液混合技术路线为主。国内专家称,固液混合并不是一个过渡技术,它可以算是固态电池的一种,如果全固态电池走不通的话,也有可能成为一个最终的解决方案。




责任编辑: 李颖

标签: 中日韩 固态电池