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充電鋰電池"終結者"再突破,固態電池搶占制高點

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2022年01月20日  

據媒體十一月二十七日報道,澳大利亞迪肯大學的研究人員表示,他們已經設法使用常見的工業聚合物來制造固體電解質,有望使鋰離子電池的能量密度新增一倍,這種固態鋰離子電池在過熱時不會爆炸或著火。目前團隊已經在紐扣電池中進行了測試,他們將尋找商業伙伴將這些固態電池推向市場。


這項新技術使用了一種弱結合到鋰離子的固態聚合物材料,來代替通常用作當前電池單元電解質的揮發性液體溶劑。


據該團隊陳芳芳博士在新聞稿中表示:"假如行業采用我們的技術,我可以預見道這樣一個未來,例如,可以將電池相關設備安全地裝在飛機行李中,或者電動汽車不會像現在這樣對乘員或急救人員構成火災危險。"


近年來,動力鋰電池作為電動汽車的"心臟"一直備受關注。隨著電池技術的快速發展,當前全球多家巨無霸車企關于固態電池都在投入重金競相研發。固態電池和傳統鋰離子電池相比具有更高的能量密度,同時擁有更大的功率和更長的使用時間,是下一代鋰離子電池發展的大趨勢。


隨著全球知名公司和研究機構的研公布局,預計2030年全球固態電池需求有望接近500GWh。參考SNEresearch的動力鋰電池出貨量預測,若固態電池能在2022年實現市場化并逐步提升滲透,到2025年固態電池在動力鋰電池中的市場空間大約能達到60億元左右。


從早期的鉛酸電池,到豐田等日企主打的鎳氫電池,再到2008年TSLAroaster使用的鋰離子電池,傳統液態鋰離子電池已統治動力鋰電池市場十年。未來,能量和安全需求和傳統鋰電技術的矛盾將越來越凸顯。


再從Fisker宣稱開發充電1分鐘行駛500公里的固態電池,到寶馬已和Solidpower進行合作開發下一代電動汽車用固態電池,再到豐田又宣稱將在2025年前實現全固態電池的實用化。作為下一代電池技術的代表,固態電池日益引發市場高度關注,引發全球范圍的公司進行提前卡位。


固態電池是采用固態電解質的鋰離子電池。固態面對的挑戰重要包括降低成本,提高固體電解質的安全性,以及在充電和放電時保持電極和電解質之間的接觸。


和傳統鋰離子電池相比,全固態電池最突出的優點是安全性。固態電池具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發的特性,防止了傳統鋰離子電池中的電解液泄露、電極短路等現象,降低了電池組關于溫度的敏感性,根除安全隱患。


相比于傳統的鋰離子電池來講,由于固態電解質取代了傳統鋰離子電池中可能燃爆的有機電解液,這樣解決了高能量密度和高安全性能兩大難題,在相同能量下用固態電解質取代電解液的電池,更薄且體積更小。


許多問題很難在鋰離子電池現有技術的參數范圍內得到解決:(1)安全性和可靠性;(2)能量密度;(3)運行環境溫度;(4)充電速度。固態電池作為下一代很有前途的技術,很有可能解決這些問題,而且其性能的提高也很明顯。


目前全固態電池尚處在研發早期,研發方向重要包括聚合物、氧化物和硫化物三大固態電解質的典型技術開發方向。三大體系各有優勢,其中聚合物電解質屬于有機電解質,氧化物和硫化物屬于無機陶瓷電解質。


其中,聚合物固態鋰金屬電池的開發重要以Bolloré、CATL和東北師大為代表;氧化物鋰金屬固態電池的開發重要以美國橡樹嶺國家實驗室,QuantumScape,Sakti3以及中科院等為代表;硫化物固態電池的開發重要以豐田、三星、本田以及CATL為代表,其中以豐田技術最為領先。


關于全固態鋰離子電池來說,當前階段最大的需求來自于汽車產業,隨著新能源汽車的鋪開提上日程,各大車企紛紛布局全固態鋰離子電池,期待3-5年后開始全固態鋰離子電池的商業化生產。除此之外,消費電子、智能家居和等領域也存在一定的全固態鋰離子電池需求。


全固態電池有望成為下一代商業化動力鋰電池,募投項目中下一代電池研發方向包括氫燃料動力電池、鋰空氣電池和全固態電池,其中全固態電池最有望成為下一代商業化動力鋰電池。


目前全球供應商、材料公司、電池公司都在大力推進固態電池的研發。


縱覽全球固態電池公司,有初創公司,也不乏國際廠商,公司之間獨踞山頭信仰不同的電解質體系,未出現技術流動或融合的態勢。


歐美公司偏好氧化物和聚合物體系,而日韓公司則更多致力于解決硫化物體系的產業化難題,其中以豐田、三星等巨頭為代表。


固態電池領域的第一集團軍,日本擁有固態電池專利916件,占比接近一半,領先優勢明顯;美國和我國分別以398件和362件的專利數位居第二、第三。


在全固態電池專利方面,日本具有明顯的優勢,豐田擁有固態電池專利252件,數量遠超其他車企和電池公司。


豐田汽車2010年,推出硫化物固態電池;2014年,原型固態電池能量密度已達400Wh/kg;2018年,日本投資100億日元,豐田、本田、日產、松下,京都大學、日本理化學研究所等參和研究,計劃2022年掌握全固態電池技術;2019年,和松下合資,為550多萬輛電動汽車供電池,豐田51%股份。


固態鋰離子電池前20位專利申請人中,日本公司占11家,其中豐田申請量最多,達1709件,是第二位松下的2.2倍。排名前10均為日韓公司,其中日本8家,韓國2家。


日本的豐田汽車、本田研發、日產汽車和雅馬哈汽車甚至組織成立LIBTEC,計劃共同開發固態電池的基礎技術。LIBTEC固態電池的開發目標包括:體積能量密度達600Wh/L,成本達600元/kWh,快速充電時間為10分鐘。


豐田汽車和松下的聯盟(豐田有近300名工程師參和研發固態電池),該聯盟表示將在五年內將固態電池商業化。豐田和NEDO所制定的全固態電池的商業化普及方法,首先使用現有LIB的正負極材料開發全固態電池(第一代電芯)。


之后再使用新的正負極材料以期進一步提高能量密度(下一代電芯),預計2022年豐田汽車生產固態電動汽車的樣車,2025年在部分車型中使用固態電池。2030年實現大規模量產應用,能量密度可達500Wh/kg。


隨著固態電池技術方面取得新突破,固態電池的落地進程將再進一步。


從海外各家公司實驗和中試產品來看,固態電池能量密度優勢已開始凸顯,明顯超過現有鋰電水平。


在我國,固態鋰電的基礎研究起步較早,在"六五"和"七五"期間,中科院就將固態鋰電和快離子導體列為重點課題,此外,北京大學、我國電子科技集團天津18所等院所也立項進行了固態鋰電電解質的研究,并在此領域取得了不錯的進展。


當前國內已有上市公司布局固態電池相關業務,關于下一代電池技術研發和產業化應用,已逐漸進入二級市場視野。國內在進行固態鋰電開發的公司包括:CATL、贛鋒鋰業、珈偉股份、江蘇清陶能源、輝能、中航鋰電、比亞迪、萬向、威馬汽車等。


未來,隨著產業投入逐漸加大,產品性能提升的步伐也望加速。


回溯傳統鋰電成本曲線,14年時單位成本接近3元/Wh,而隨著產量迅速擴張,目前成本已降至1.2元Wh/kg左右。


固態電池作為一項顛覆性技術,技術一旦突圍成功,行業成長曲線料將獲指數級上升,工業化大批量生產將使成本問題迎刃而解,傳統鋰電的降本邏輯有望得到復制。


展望發展趨勢,固態電池階段發展之路已經明晰。結構上,現階段電池體系包含部分液態電解質以取長補短。而技術發展過程中將逐漸減少液體的使用,從半固態電池到準固態電池,最終邁向無液體的全固態電池。


應用領域上,有望率先發揮安全和柔性優勢,應用于對成本敏感度較小的微電池領域,如RFID、植入式醫療設備、無線傳感器等;技術進步后,再逐漸向高端消費電池滲透;隨著產品的成熟,最終大規模踏入電動汽車和儲能市場,從高端品牌往下滲透,實現下游需求的全面爆發。


鋰電產業鏈是一個可以看至少10年的行業,而新技術的開發和崛起也將不斷強化行業的估值和前景。


在行業看好和多方布局之下,固態電池產業有望獲得超速發展。固態電池承載著電池安全和能量全面提升的光榮使命,未來有望成為行業的新爆發點和關鍵性技術保障,政策在逐漸褪去,市場正回歸理性,當新能源汽車回歸商品屬性時,還有技術在前方保駕護航。


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