动力电池新方向——固态电池商用进程加速

文摘   科技   2024-11-19 12:12   浙江  

近年来以丰田和本田为代表的日系合资车,以及以德系BBA为代表的传统豪华燃油车企,面对比亚迪、问界和“蔚小”为代表的中国新能源车企,可谓节节败退。

一、销量下滑

  • 日系车2024 年前三季度,本田在中国同比去年少卖 25 万辆,下滑近30% ;广汽丰田 下滑 24.5%,一汽丰田下滑了 8.4%;日产 下滑 8.9%,少卖了 4.6 万辆。
  • BBA2024 年前三季度,奔驰在中国市场的销量为 51.22 万辆,同比下滑 10.2%;宝马在中国累计销售汽车 52.4 万辆,同比下降 13.1%;奥迪在 2024 年前三季度在中国市场交付约 47 万辆,较去年同期下降 8.5%。

二、利润下滑

  • 日系车日产汽车此前公布第二财季转为净亏损,并下调年度利润预期,11 月 7 日宣布将全球裁员 9,000 人,并削减 20% 的产能 。丰田 2024 年第二财季利润降至去年同期的一半以下。
  • BBA2024 年前三季度,奔驰、宝马、奥迪营收同比下降 6.7%、15.7%、5.5%,利润同比下滑 53.8%、61% 和 91%。

三、市场份额被挤压

  • 日系车以本田、丰田、日产为代表的日系车,在中国市场份额不断被挤压。如 2024 年 7 月,日系车在国内市场的市占率被压缩至 10.4%,而中国自主品牌的市占率则来到了 66.9%。
  • BBA2024 年 10 月,新能源汽车渗透率继续破 50%,油转电成为不可逆趋势,而 BBA 等传统豪华品牌零售份额为 9.2%,同比下降 4 个百分点,中国自主品牌国内零售份额已达 65.7%,较去年同期增加 10.1 个百分点。

中国新能源汽车能取得巨大的竞争优势,动力电池居功甚伟,其成本迭代与技术迭代攸关下游整车产品的竞争力。

成熟的锂离子电池,通常由正极、负极、隔膜、电解质、集流体(导电金属箔)和包装材料等组成,核心是正负极+隔膜电解质。

正极主流是磷酸铁锂和三元锂(镍钴锰酸锂-Li(NiCoMn)O₂,或镍钴铝酸锂-Li(NiCoAl)O₂),负极是石墨或石墨+硅,正负极的材质和用量决定电池的容量。

电池的能量来源于锂离子在正负极之间往复运动,锂离子从正极到负极再到正极的来回移动过程中,电池的充放电过程便完成了

可以将正负极理解为能够吸收/释放锂离子的海绵。
  • 充电是电能转化为化学能的过程。在外接电源电动势驱动下,锂由正极向负极移动,嵌入负极碳间隙,锂离子的势能高,状态不稳定。

  • 放电是化学能即转化为电能的过程。锂离子自发从高能量(负极)移动到低能量(正极)状态,释放出能量。

正负极(海绵)的多少、海绵吸收锂离子的能力,决定了电池的能量上限。

锂离子动力电池在国内不管是产业链竞争力还是商业化落地应用,都非常有优势泛。但是还有不少消费者对购置新能源汽车有顾虑,无外乎安全性、续航里程焦虑和经济性3方面。
  1. 传统氧化物正极(eg.钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂)与石墨负极的锂离子电池结构,能量密度越来越接近理论上限(350Wh/kg)。
  2. 采用有机物液态电解液作为导电介质,在充放电过程中不可避免地发生副反应,影响电池使用寿命
  3. 有机物的电解液十分易燃,短路时容易引发爆炸,电池的绝对安全性十分堪忧。

固态电池(SSB,Solid-State Battery)使用固态电解质替代传统锂离子电池的电解液和隔膜,具有较高的化学稳定性。绕开了液态电解质的浓度梯度问题,对锂金属负极的锂枝晶的形成及硅的膨胀起抑制作用,其较高的电化学平台对富锂锰基等新型正极材料的应用提供了理论使用可行性。
固态电池的研究可以追溯到1978年,当时Michel Armand首次报道了固态金属锂电池的研究。然而,由于固态电解质离子电导率低、界面相容性差等问题,固态电池的商业化应用一直受到限制。直到近年来,随着材料科学和电池技术的不断进步,固态电池才逐渐走向产业化。

2010年,丰田公司推出了续航里程可超过1,000公里的固态电池原型。此后,包括QuantumScape、Sakti3在内的多家公司都在努力研发固态电池,试图用其取代传统的液态锂电池。

在中国,固态电池的发展也取得了显著进展,蔚来汽车、东风汽车等企业纷纷发布并应用了固态电池技术。

从性能对比来看,理论上固态电池在离子电导率、能量密度、耐高压、耐高温、循环寿命等各项指标均优于液态电池,兼顾了传统液态锂电池无法满足的高能量密度和高安全特性,成为电动汽车的理想电池。
具体而言,固态电池的优势主要体现在4个方面:
  • 高安全性:传统液态电池在大电流下工作负极有可能出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致内部短路;液态电池采用有机电解液,当电池在温度过高或内部短路等异常情况下,存在自燃甚至爆炸的危险。

    固态电池采用固态电解质,固态电解质具有不易燃、耐高温、化学活性低等特性,且能够有效抑制锂枝晶生长,能够大幅提升电池的安全性。

  • 高能量密度:传统液态电池的能量密度已经接近 350Wh/kg 的理论极限。

    固态电池的电化学窗口宽,能够承受更高的电压(5V 以上),材料可选择的范围更广。通过采用高比容量的正极、负极材料,使得能量密度达到 1,000Wh/kg 甚至更高。

  • 体积小:传统液态电池需要使用隔膜和电解液,二者占据了电池中近 40%的体积和25%的质量。

    固态电池使用固态电解质取代液态电池的隔膜和电解液,正负极之间的距离可以缩短到只有几到十几个微米,从而大幅降低电池的厚度。同样的电量情况下,固态电池的体积将变得更小。

  • 宽温区运行:目前的电动车在冬季续航里程下滑明显,主要原因在于液态电解质在冬季流动性下降。

    固态电池可以在更广泛的温度范围内(-30℃至 100℃)稳定工作,尤其是在低温环境下,其性能表现更为优异,成为解决电动车冬季续航里程的利器。

固态电池的正极可沿用磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元等,有望以高镍多元、富锂锰基材料为主。负极的发展初期以硅系负极材料为主,再过渡到纳米硅碳负极,最后发展到锂金属负极材料。包装材料一般采用铝塑膜。

依据电解质分类,电池可细分为液态(25wt%) 、半固态(5-10wt%)、准固态(0-5wt%)和全固态(0wt%)四大类,其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。

目前,中国开始上车的只是过渡性的半固态电池,还保留了5%—10%电解液,能量密度集中在360Wh/kg,充电一次最高可续航1,000公里。而现在占据全部市场份额的液态电池磷酸铁锂、三元锂电池,能量密度集中在200—300Wh/kg之间。

固态电池技术迭代基于液态体系,顺序遵循固态电解质-新型负极-新型正极。

主流厂商按照半固态到全固态的发展路径布局,核心变化在于引入固态电解质,电解质预计从聚合物+氧化物的半固态路线,向氧化物半/全固态路线,再向硫化物全固态路线迭代。

  • 负极从石墨,向硅基负极、含锂负极,再向金属锂负极升级。

  • 正极从高镍三元,向高电压高镍三元、超高镍三元,再向尖晶石镍锰酸锂、层状富锂锰基等新型正极材料迭代。
  • 隔膜从传统隔膜,向氧化物涂覆隔膜,再向固态电解质膜升级。

固态电池的不同技术路线主要由不同的固态电解质进行区分,主要有3大技术路线:聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质

聚合物电解质属于有机电解质,氧化物电解质和硫化物电解质属于无机电解质。

理想的固态电解质材料应该拥有高离子电导率,对锂金属具有化学和电化学稳定性,能够很好地抑制锂枝晶产生,制造成本较低,无需使用稀有金属等特点。

目前3大技术路线各有优缺点,没有能同时满足以上要求的,在技术突破上仍存在一定的难度。总的来说,硫化物电解质在全固态电池中最具有发展潜力

  • 聚合物电解质:聚合物的优点是易加工,与现有的电解液生产设备、工艺都比较兼容,机械性能好。

    其缺点包括:(1)离子电导率太低,需要加热到 60℃高温才能正常充放电;(2)化学稳定性较差,无法适用于高电压的正极材料,在高温下也会发生起火燃烧的现象;(3)电化学窗口窄,电位差太大时(>4V)电解质易被电解,使得聚合物的性能上限较低。

  • 氧化物电解质:其优点在于具有较好的导电性和稳定性,离子电导率比聚合物更高,热稳定性高达 1,000℃,机械稳定性和电化学稳定性都较好。

    其缺点包括:(1)相对于硫化物,其离子电导率偏低,使得氧化物固态电池在性能提升过程中会遇到容量、倍率性能受限等一系列问题;(2)氧化物非常坚硬,导致固态电池存在刚性界面接触问题,在简单的室温冷压情况下,电池的孔隙率非常高,可能导致电池无法正常工作。

  • 硫化物电解质:离子电导率最高,机械性能好,并且电化学稳定窗口较宽(5V 以上),工作性能表现优异,在全固态电池中发展潜力最大。

    其缺点包括:(1)界面不稳定,容易与正负极材料发生副反应,造成界面高阻抗,导致内阻增大;(2)在制备工艺层面,硫化物固态电池的制备工艺比较复杂,且硫化物容易与空气中的水、氧气反应产生硫化氢剧毒气体。

聚合物电解质发展最为迅速,技术较成熟,最早推进商业化应用,已实现小规模量产,但存在电导率低等缺点,性能上限较低,到目前也并未大面积铺开。

氧化物电解质各方面的性能表现较为均衡,目前进展较快。

硫化物电解质的电导率较高,性能表现最优异,最适用于电动车,商业化潜力大,但研究难度也大,如何保持较高稳定性有待解决。对固态电解质的关键问题实现技术突破,将有望加速产业化的进程。

固态电池作为一种新型的电池技术,其高能量密度、高安全性、长循环寿命和快速充电等优点,将成为电动汽车、便携式电子设备等领域的重要电源选择。

全球各国政府和企业也在加大布局。

一、海外进展

  • 美国Factorial Energy:推出了一款全固态电池,能量密度高达450Wh/kg,并获得了梅赛德斯-奔驰和斯特兰蒂斯集团的投资。
  • 韩国三星SDI:已于去年下半年开始小规模生产、验证固态电池,并表示目前已经向客户交付首批产品,计划在2027年实现量产。

  • 韩国SK On:目标在2028年实现固态电池的商业化。

  • 韩国LG新能源:预计2030年实现全固态电池量产。

  • 日本:已在2023年7月宣布于2026年开始量产用于工业设备的全固态电池。日本政府还承诺向丰田汽车、日产汽车等企业的动力电池项目提供高达3,500亿日元的补贴。丰田是全球拥有最多固态电池专利的企业,预计于2026年正式启动全固态电池的生产。

二、国内进展

  • 华为:2024年11月公布了一项硫化物固态电解质新发明,掺杂硫化物材料可以作为硫化物固态电解质应用在锂离子电池中,使得锂离子电池具有较长的使用寿命。

  • 清陶能源:2024年半固态电池搭载上汽智己车型。在台州的项目一期预计2024年投产,2025年全面投产,达产后年产10GWh固态锂电池。

  • 宁德时代:预计在2027年实现全固态电池的小批量生产,并已增加了对全固态电池的研发投入,将全固态电池研发团队扩充至超1,000人。宁德时代在硫化物固态电解质技术路线上有较多布局。

  • 比亚迪:硫化物全固态电池将于2027年起在中高端电动汽车领域实现小批量量产,2030年至2032年间逐步拓展至主流电动汽车市场。

  • 上汽集团:计划在2026年实现全固态电池的量产交付,其能量密度将远超传统动力电池。到2027年,搭载这种全固态电池的智己品牌新车将实现量产交付。

  • 太蓝新能源:2024年11月发布了无隔膜固态锂电池技术,有效加速固态电池产品的规模化商用进程。预计无隔膜半固态电池计划于2026年开始进行装车验证,无隔膜全固态电池则预计于2027年实现批量生产。


碳中和投资研究
浙江大学新能源硕士,专注双碳产业链投资!
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