固态电池发展现状——风口真的来了吗?

文摘   2024-06-01 23:08   广东  

导读 /Guide/

5月29日,据《中国日报》报道称,国内计划投入60亿元推动全固态电池的研发,鼓励有条件的企业对全固态电池相关技术开展研发,推动固态电池的技术尽快从实验室走向市场。包括宁德时代、比亚迪、一汽、上汽、卫蓝新能源和吉利等六家企业或获得政府基础研发支持。


定义:固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。液态锂电池由正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大主材组成,固态电池则是将电解液、隔膜替换成固态电解质。

作为下一代电池技术的首选方案之一,全固态电池领域正在形成一个全新的竞争局面,日、韩、美、欧等国家和地区,在纷纷加大力度、加紧布局全固态电池产业。近期,全固态电池产业化提速的消息纷至沓来。那么,按照全固态电池目前发展现状,量产是否真的能如期而至?这个问题或许只能是仁者见仁智者见智。

产业链分析

固态电池产业链包括上游各种矿资源等原材料,中游为正极、负极、固态电解质等关键材料及制造环节,下游为消费、动力、储能等各领域应用场景。

优势与挑战
产品优势:
高安全性:高安全性是固态电池的首要优势。传统液态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,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。能量密度达到500Wh/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。

宽温区运行:相较液态电池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。

发展挑战:
虽然固态电池开始研究的时间比现在的液态锂电池还早,但是到今天为止,依然无法大规模商业化量产,可见其研发难度之高。
目前全固态电池研究还处在发展阶段,其基础理论尚未完全成熟,因此还难以指导、支撑其规模化的量产。从材料端看,现存最大两个问题:未找到综合性能达标固态电解质、未良好解决固固接触界面问题。尽管技术难实现,但固态电池最大的短板还不是技术,而是成本。固态电池目前成本过高的核心原因是,里面的贵金属用量是液态电池的几倍,价格最低都会是磷酸铁锂的十倍左右。从产业链角度看,目前全固态电池的上游材料供应链、匹配新工艺的设备等还不成熟,产业化成本过高。真正的全固态电池制造成本是锂离子电池的4—25倍,制造全固态电池所需的设施成本更是目前锂离子电池的10-20倍,而且制造过程中能耗也很大。

同时,全固态电池的生产工艺对现有的制造设备和流程也提出了新的要求,设备的更新换代在所难免。固态电池体系对现有产业结构冲击较大,如隔膜企业面临严重转型问题,因此全固态电池发展态势还不明朗。

市场发展现状
全球固态电池研发可分为中国、日韩及欧美三个阵营。在技术方向上,日韩起步最早并选择了硫化物固态电解质路线,目前日韩企业持有固态电池专利数全球领先,据Patent Result统计,目前全球专利数排名前六均为日韩企业;欧美选择氧化物固态电解质路线居多,且均在直接开发锂金属负极应用;中国三种固态电解质路线均有布局,在开发全固态电池的同时也在大力发展对现有产业更友好的半固态电池。
日韩方面,由于硫化物固态电解质电导率高、性能表现优异且最适配全固态电池,丰田、日产、本田、松下、LG新能源、三星SDI、SKon等企业长期以来选择最有前景的硫化物固态电池(全固态电池)为主攻技术路线。

经过多年的研发未果,目前日韩两国在固态电池开发方面主要采取联盟式研发。

2018年6月,松下、丰田、本田、日产等23家汽车、电池和材料企业,以及京都大学、日本理化学研究所等15家学术机构将在未来5年内联合研发下一代汽车电动车固态锂电池,力争早日应用于新能源汽车产业,计划到2030年前后将固态电池组每千瓦时的成本降至锂电池的30%。

2020年2月,因研发锂离子电池而获得诺贝尔化学奖的吉野彰,发起LIBTEC项目,力争到2023年4月完成面向电动汽车(EV)的全固态电池试制品,本次项目的共同参与者有丰田汽车、松下和旭化成等汽车、电池和材料领域具代表性24家日本企业和机构。

2018年11月,韩国三大电池企业LG化学、三星SDI和SKI组成联盟,共同开发包括固态电池的下一代电池核心技术。

欧美方面,由欧洲车企与美国初创企业合作推动固态电池发展。欧洲在聚合物技术路线上最早开始商业化应用。但由于聚合物电导率太低,欧洲量产的固态电池,在相同电池容量下,实际续航还不及液态锂电池,因此,到现在也未形成趋势。

与日韩联盟式研发相反,欧美企业主要采取自主研发。目前美国固态电池领域以Quantum Scape、Solid Power等初创企业为主,在硫化物、氧化物和聚合物都有布局,大众、宝马、奔驰等欧洲车企通过投资这些美国初创企业,推动其在固态电池领域发展。

中国方面,国内企业侧重氧化物技术路线,半固态电池量产在即。国内企业多数选择氧化物技术路线。由于氧化物电解质非常坚硬、孔隙率高,容易导致电离子传输通道不畅,以目前的技术需要加入电解液,因此,目前国内研发的氧化物固态电池主要为固液混合方向。卫蓝新能源、清陶能源、赣锋锂电、辉能科技等国内多家固态电池公司都是选择以氧化物材料为基础的固液混合技术路线。已公开的半固态电池的单体能量密度可突破400Wh/kg。

根据高工锂电数据显示,截至2023年12月,国内半固态电池的产能规划累计已接近300GWh,落地产能约15GWh,出货量突破GWh级别。其中,以初创电池企业卫蓝新能源为代表,其半固态电池装车量达0.8GWh,主要搭载在蔚来汽车。据高工锂电预计,2024年国内搭载(半)固态电池上市的新车型将超过5款,出货量有望迈向5GWh级别。

为了追赶日韩欧美,我国自去年底也开始尝试推行联盟式研发。

2023年12月18日,由中国一汽、东风汽车、长安汽车等27家单位组建的固态电池产业创新联合体在深圳成立。创新平台涵盖基础研究、材料开发与生产、电芯设计与制造、系统集成与整车应用等环节,涉及我国多家整车企业、材料领域公司、高校、研究机构等单位。

2024年1月21日,中国全固态电池产学研协同创新平台(CASIP)成立。平台是为推动全固态电池技术创新与产业化进程,在中国产学研合作促进会的指导下,由多位院士专家,多家领军企业、知名高校、研究机构,以及多个地方政府联合发起。

发展展望
尽管正如宁德时代在其2023年年报业绩解读会中所言,固态电池在技术路线上还存在很多亟待克服的问题,距离变成商品还很远。但从近两年全球相关企业的量产计划时间来看,全固态电池产业化的时间基本都是在2027-2030年。
日本丰田2023年发布规划称最早到2030年全固态电池可实现量产;日产则计划在2028年推出首款搭载全固态电池的量产车型;本田规划在2025年后推出全固态电池车型。

韩国三星计划在2027年前推出能量密度超过900Wh/kg的全固态电池。

国内,上汽集团预计到2025年,上汽集团的全固态电池将在上汽自主品牌实现规模搭载,预计到2026年将实现量产;宁德时代首席科学家吴凯表示公司全固态电池有望2027年小批量生产;广汽集团则计划将于2026年实现全固态电池量产装车;长安汽车预计到2030年推出包括液态、半固态和固态在内的8款自研电芯。

需要注意的是,虽然各国头部纷纷表示全固态电池产业化时间点是在2027-2030年,但是实际上能否如期实现现下结论仍为时过早。毕竟,作为全球持有固态电池专利数最多的丰田也已经在量产计划上多次延期:2017年曾宣布量产时间为2020年,而后延后至2025年,2023年6月延后到2027-2028年,随后11月份又继续延后至2030年。

虽然目前半固态电池已形成初步可商用的技术方案,或许在未来两三年内,半固态电池可以走向产业主流,但是全固态电池还需要比较长的时间去做验证以及更好的产业链上下游配套。面对全球新能源汽车市场的激烈竞争,中国全固态电池技术的发展正处于关键的十字路口。而随着国家政策的风口和头部企业研发的加速必定会加快推进国内固态电池产业的发展。

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