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【預見】號角已吹響,固態電池醞釀大機遇?
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日期:2021年11月29日 下午7:26作者:慧澤李 編輯:lala
【預見】號角已吹響,固態電池醞釀大機遇?

當液態電池發展到一定瓶頸時,必定會有新技術的出現,而在這些新技術中固態電池又是大熱門。固態電池,被稱為未來鋰電池的發展新方向。相關機構預測,2020-2030年我國固態電池出貨量將高速增長,至2030年或將突破250GWh,2030年全球固態電池市場空間有望達到1500億元以上。

01 固態電池的優劣勢

固態電池與目前主流的傳統鋰離子電池最大的不同在於電解質。固態電池則是使用固體電解質,替代了傳統鋰離子電池的電解液和隔膜。而傳統鋰離子電池主要由正負極材料、電解液和隔膜組成。正負極材料決定了電池的容量,電解液及隔膜作為傳輸鋰離子的介質。這個就是本質的區别。

目前,業界正在開發的固態電池按電解質的類型主要可分為三種,即聚合物,硫化物與氧化物。其中,聚合物電解質屬於有機電解質,而後兩種屬於無機電解質。比如,寧德時代的固態電池技術以鋰硫化物化物為電解質的主要成分,通過添加硼元素來提高電解質的電導率,改善電池的循環性能;而比亞迪採用了鋰氧化物作為全固態電池的電解質,這類電解質本身的電導率極低,但是比亞迪通過自己的專利技術提高了鋰氧化物的電導率和力學強度,使得固態電池具有更加優異的電池循環性能和高倍率充放電性能。

與傳統鋰電池相比,固態電池更安全、能量密度也更高、循環性能更強,在電動汽車電池市場潛力巨大,這也是各大電池廠商、車企紛紛試水固態電池,深受資本青睐的原因所在。

安全性方面,液態電解質的電池易燃易爆,容易造成安全隱患;而固態電解質可以抑制鋰枝晶、不易燃燒、不易爆破、無電解液走漏、不會在高溫下發生副反應等,在大電流下工作不會因出現鋰枝晶而刺破隔膜導致短路,不會在高溫下發生副反應,安全性有保障。

能量密度方面,採用全固態電解質後,電池可以不必使用嵌鋰的石墨負極,而是直接使用金屬鋰來做負極,這可以大大減輕負極材料的用量,使得整個電池的能量密度有明顯提高,固態電池研發可提供的能量密度基本可達300-400Wh/kg,甚至更高。

循環方面,固態電解質解決了液態電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜的問題和鋰枝晶現象,大大提升了鋰電池的循環性和使用壽命,理想情況能夠達到45000次左右。

任何事物都是有雙面性的,有優點必定有缺點的存在。固態電池也不是萬能的,也存在對應的缺點。

其一是界面阻抗過大。固態電解質與電極材料之間的是以固態狀態存在聯繫的,因此電極與電解質之間的有效接觸較弱,離子在固體物質中傳輸動力學低,就會造成界面阻抗過大的問題。

其二是成本高。據了解,液態鋰電池的成本大約在120-200美元/KWh。這成本價就很難降下來,所以很多的電池廠家都退而求其次,先研發更便宜但能量密度也不差的半固態電池。

尤其是在成本方面,決定著其商業化的進程,成本高是硬傷。

02多家企業加碼固態電池業務

其實早在2019年7月16日,寧德時代就申請了固態鋰電池技術,較早入局,2019年7月25日,比亞迪緊跟其後也申請了固態鋰電池技術。

從這兩家電池巨頭截然不同的固態電池技術路線可以看出,寧德時代的固態電池將會在能量密度上具有一定的優勢,而比亞迪則更加看重電芯的安全性和可靠性。

近期,蔚來半固態電池供應商衛藍新能源將獲得來自小米集團、華為等戰略機構的投資,該項目估值50億人民幣,獲得投資額約5億元。消息人士透露,華為、小米和順為資本在8月已經簽字,決定投資衛藍新能源。目前,小米方面已經進入交割程序。

衛藍新能源成立於2016年,總部位於北京,在北京房山、江蘇溧陽和浙江湖州擁有3大生產基地,公司專注於混合固液電解質鋰離子電池和全固態鋰電池的研發、生產。

據悉,蔚來的半固態電池方案正是由北京的衛藍新能源提供。而這也是蔚來與寧德時代合作以來,首次引入第二家電池供應商。

無獨有偶,一家叫輝能科技的固態電池企業在近期也完成新一輪融資,融資金額為3.26億美元(約合20.85億元人民幣)。本輪投資方包括春華資本、丹豐資本和軟銀中國。

此次融資,將主要用於輝能固態鋰電池量產建設及全球擴產規劃,旨在促成公司在2023-2025年間於亞洲、歐洲及美國的擴廠建設,以滿足主流車廠對優質動力電池當地製造和當地供給的需求,從而加速為其新能源汽車戰略合作夥伴提供固態電池解決方案。

輝能科技成立於2006年,發明了全球第一款固態鋰陶瓷 (Lithium Ceramic Batteries, LCB) 電池,目前固態電池技術處世界前沿,擁有近500項固態電池專利。2020年,其45.1安時(Ah)的大容量電池產品在專業技術監督公司德國萊茵(T V Rheinland)實驗室中完成了動力電池第三方測試並取得報告。

不久前,上市公司珠海冠宇相關負責人表示:「我們應用固態電解質膜和專用正極材料,製備出了能量密度高達350Wh/kg的固態電池樣品。」雖然只是樣品,但也走出了至為重要的一步。

除了國内,我們再看看海外情況。日韓在固態電池的發力最猛,未來或將成為國内的強勁對手。

韓國電池製造商SK Innovation將向福特汽車支持的固態電池開發商Solid Power公司投資3000萬美元,聯合生產車規級固態電池。SK Innovation將採用Solid Power的硫化物固態電解質、專利電池設計和生產工藝。

硫化物固態電解質有何奧妙?「鋰離子電池固態化,在大幅提高安全性的同時,可兼具高能量密度和高功率密度。Solid Power使用的硫化物固態電解質,具有較高的離子電導率、較好的機械延展性以及與電極良好的界面接觸等優點,因而是目前最有潛力和前景的新技術之一。

Solid Power首席執行官Doug Campbell指出:「固態電池可能會使電池組變得非常簡易,最終促使成本降低。製造商可以利用現有工廠生產固態電池。公司希望到2026年將這項技術商業化。」

韓國現代集團旗下兩大品牌現代汽車和起亞汽車之前曾宣佈將與美國的一家叫Factorial Energy的電池廠商合作,共同開發車規級固態電池。

在現代官方發佈的信息中,透露了Factorial Energy已經基於「FEST」(因子電解質系統技術)取得了突破性進展,該技術利用特殊的固體電解質材料,利用高壓和大容量電極實現安全可靠的電池性能。

「FEST」相比傳統的鋰離子電池技術更為安全,應用該技術生產的電池擁有高能量密度的特性,可在成本接近的條件下將純電動車的續航里程有效延長20%-50%,而且與目前的三元鋰電池技術在規格和生產流程方面有兼容性,只需較低成本改造現有三元鋰電池的製造基礎設施即可投產。

韓國的電池巨頭LG能源當然也不甘落後,也正在開發全固態電池,官宣預計2026年實現量產。

日產汽車公佈的2030年遠景目標,計劃在未來五年内投資2萬億日元,加速其汽車產品線的電氣化和技術創新速度,其中計劃在2028財年推出搭載全固態電池的電動車,並將成本降至75美元/kWh。日產預計,至2026 財年其全球電池產能將達52GWh,2030財年進一步提高到130GWh。

豐田汽車在固態電池研發上也不落後,其推出的固態電池原型車已開始測試,有望2025年前後量產。

03 短時間内還無法量產?

量產的難題在於:一是,電解質目前的四種技術路線(分别是聚合物、薄膜、硫化物和氧化物)各有不足,如薄膜固態電池和氧化物固態電池難以研製大容量動力或儲能電池;

二是,聚合物固態電池無法在室溫下工作且難以兼容高電壓正極;

三是,還要解決固態電解質材料的鋰離子電導率偏低、固/固界面接觸性和穩定性差、電解質對空氣敏感等問題;

四是,是生產工藝不成熟,由於技術路線不確定,難以做到像現有三元鋰電池那樣成熟;

五是,現階段製備工藝復雜,整體生產成本過高。

由此可見,無論是技術層面,還是經濟層面,固態電池的號角雖已吹響,但距離商業化落地還很遙遠,相關機構預測,距離固態電池規模化量產預計還需要5-10年時間。

電池大佬寧德時代曾表示,目前固態電池商業化很難:「公司在固態電池方面已有多年研究,現階段全固態電池里面仍有科學難題還未解決。雖然公司已做出固態電池樣品,但相關指標離實現商業化還有較長距離 。」

蔚來汽車宣佈將於年内量產ET7,而這款車也是該公司首款應用固態電池的產品。據悉,頂配版蔚來ET7將配裝150kWh固態電池,續駛里程達到1000公里。但資料也顯示,該款固態電池是90%固態+10%液體電解質的半固態電池。

半固態電池是一種過渡性技術,依據現有鋰電池製造條件完全可以量產。在目前常見的NCM811電池基礎上,向負極材料中添加矽碳元素,就可以製造出半固態電池,技術上並不難實現,比如蜂巢能源發佈的果凍電池也是一種半固態電池,已具備量產條件。

在代表技術創新發展方向的固態電池方面,率先搶佔技術制高點是關鍵,這也是率先量產及佔據市場優勢地位的關鍵。

量產雖看似遙遠,但號角已吹響,各方勢力都在發力猛攻,如果固態電池真的成功實現商業化量產,行業就要來一次大洗牌了,那麽原來的鋰離子電池的細分賽道——電解液與隔膜的市場地位是不是就岌岌可危了?保持警惕,拭目以待。

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