過去幾年,動力電池的技術突飛猛進,但安全隱患和里程焦慮仍然是其難以擺脫的“魔咒”。與此同時,固態電池在爭論和質疑聲中成為行業新寵,隨著各路巨頭的入場,固態電池的未來也漸漸明朗。
固態電池聽著玄乎,用傳統的液態鋰電池來理解也就簡單了,因為它們的工作原理是相同的。傳統的液態鋰電池也被科學家們形象地稱為“搖椅式電池”。搖椅的兩端為電池的正負兩極,中間為液態電解質和隔膜,而鋰離子就好比“運動員”,運動員在搖椅的兩端來回奔跑,電池的充放電過程便完成了。
到了固態電池上,“運動員”還是在正負極兩端來回奔跑,區別在于運動場所從液態電解質換成了固態的電解質。另外固態電解質還擔當了分隔正負極的角色,也就是起到了隔膜的作用,所以說固態電池不再需要隔膜。
按照電解質材料的選擇,固態電池可以分為聚合物、氧化物、硫化物三種體系電解質。
其中,聚合物電解質屬于有機電解質,氧化物與硫化物屬于無機陶瓷電解質;按照正負極材料的不同,固態電池還可以分為固態鋰離子電池(沿用當前鋰離子電池材料體系,如石墨+硅碳負極、三元正極等)和固態鋰金屬電池(以金屬鋰為負極)。
固態電池相比液態電池,優勢主要體現在安全性和能量密度。
先說關注度最高的的安全問題。如今電動汽車的發展勢頭強勁,電動車的銷量也屢創新高,但是電池的安全隱患一直是懸在電動汽車頭上的“達摩克利斯之劍”。
實際上電動車的安全隱患,要算在液態鋰電池頭上。一旦電池受到擠壓、沖擊,就會導致隔膜破裂,造成正負極短路,同時鋰電池內部產生大量熱量,加上液態電解質里易燃的有機溶劑,結果就是電池起火甚至爆炸。
一直以來車企和動力電池企業都在竭盡全力的提升電池安全性能。比如在電解液中添加阻燃劑;優化BMS熱管理系統;采用高強度、耐高溫的電池隔膜,可惜治標不治本。
但固態電池是有望徹底解決安全問題的。首先,固態電池的正負極不容易發生短路現象。其次,固態電解質不僅不可燃、不揮發甚至還能耐高溫,電池在遇到同樣極端情況下不會發生起火、爆炸。
再來說說電池的能量密度,也就是里程焦慮問題。雖然主流電動車的續航里程都能達到500km以上,高端車型甚至超700km。但實際使用過程中,這個續航是要打個折扣的(即所謂的工況里程),并且,跟燃油車不同的是,大多數電動車車主不會把車開到電量剩余10%的時候去充電。
解決里程焦慮基本只能靠堆電池的能量密度。根據《節能與新能源汽車技術路線圖》,2025年動力電池的能量密度目標為400Wh/kg,2030年目標為500Wh/kg。想達到2030年的目標,現有液態鋰電池技術路線恐難擔大任,光是350Wh/kg的能量密度天花板就很難打破,但是固態電池能量密度能輕松超越350Wh/kg。
成立于2016年,由中國工程院院士陳立泉、中科院物理所研究員李泓、原北汽新能源總工俞會根共同發起創辦。目前在與蔚來汽車合作,將基于ET7車型,推出續航1000公里的半固態電池,能量密度360Wh/kg,電池容量150度電,預計2022年底或2023年上半年實現量產。
成立于2016年,由清華大學南策文院士團隊創辦,率先實現了固態鋰電池的產業化,建有國內首條固態鋰電池生產線。目前公司第一代半固態電池,液體含量在5%-15%,能量密度最大到420Wh/kg,成本可以與液態鋰電池相當;第二代產品正在小試階段,液體含量降至5%以下,能量密度達到400-500Wh/kg,成本相比液態鋰電池減少20%,動力電池產品預計在2024年量產。
成立于2020年,致力于研發全固態鋰電池產品。公司規劃2022年會推出5Ah和20Ah的大電芯;2023年,發布60Ah的大電芯,面向3C及無人機用全固態鋰電池,建成小規模量產能力;2024年,發布100Ah大電芯,這是一款用于量產的動力型全固態電芯。
成立于2018年,專注于半固態鋰金屬電池、全固態電池等新一代電池及其核心材料研發生產。目前,恩力動力已成功制造出1.2Ah/3.6Ah/10Ah級軟包型和多種圓柱型混合鋰金屬電芯,能量密度高達520Wh/kg、體積能量密度1100Wh/L。10-100MWh中試線正在建設中,今年三季度推出針對無人機/eVTOL和EV應用的11Ah和100Ah電池A樣產品,2023年達成百兆瓦時級的生產能力,開始向早期客戶供貨,并計劃2024年建成GWh產線。
成立于2021年,致力于固態電池、半固態電池的產品研發和產業化。2022年初,太藍新能源已啟動重慶生產制造基地“2+10”億瓦時半固態鋰電池生產線建設。9月26日,與安徽省淮南市壽縣新橋國際產業園簽訂合作協議,擬建設10GWh半固態動力電池產業基地。
成立于2020年,今年10月發布了自主研發的Ah級硫化物全固態電芯。該款電芯能量密度達到210Wh/kg,搭配高能非金屬負極后,能量密度可提升至350Wh/kg以上。
寧德時代此前公開過兩種與固態電池相關的專利,并在2021年5月份宣稱,已經可以做出固態電池的樣品,但是距離實現商業化還有很遠的路要走,預計到2030年才會面向市場推出。
憑著刀片電池出圈,2016年起就自研固態電池,也發布了多個固態電池相關專利,為氧化物技術路線,但目前一直沒有電池產品消息。
2016年設立固態電池研發中心,在江西新余生產基地已具備2GWh固態電池產能。7月30日,贛鋒鋰業新型鋰電池科技產業園及先進電池研究院項目正式開工,規劃形成10GWh的電池產能以及10GWh的Pack項目,擬建設國內最大的固態電池生產基地。
蜂巢能源全固態電池實驗室研發出國內首批20Ah級硫系全固態原型電芯,該系列電芯能量密度達到350Wh/kg-400Wh/kg,一旦量產應用,電動車可實現續航里程達1000公里以上。另外,蜂巢能源攻克了來自固體電解質和界面性能等全固態電池待突破的技術,保持長循環的固-固界面的穩定接觸。
公司研發的單體能量密度高達360Wh/kg、系統能量密度達到260Wh/kg的半固態電池,2022年底將會小批量裝車試運行。同時,公司研發的400Wh/kg三元半固態電池目前在實驗室已有原型樣品。
公司第一代半固態電池(能量密度330Wh/Kg)送樣給整車廠客戶獲得了良好反饋,已經具備量產條件,將根據客戶需求決定量產時間。
公司固態電池貧液化做到400Wh/kg,半固態做到450Wh/kg,準固態做到500Wh/kg。
目前固態電池處于研發階段,計劃在未來2-3年內推出固態電池產品。
公司的全固態電池展望:2020年驗證固態電池材料體系,達到300Wh/Kg的5Ah軟包設計驗證;2022年固態鋰電池實現中試化生產;350Wh/Kg,循環>1000次;2024年建設年產2GWH的全固態鋰電池生產線實現量產;400Wh/Kg,循環>1000次。
公司預計2023年實現100%硅氧體系,2024年實現鋰金屬負極體系的全固態電池量產。到2022年底,輝能科技將完成GWh工廠的建立,通過2GWh的示范線提供幾家國營主機廠進行第一批固態電池量產車的投放。計劃到2023年公司實現固態電池量產化,并供應電動汽車市場,在2026年達到50GWh產能。
與浙江大學合作開展固態電池研發項目,同時與輝能科技達成固態鋰電池合作共識,共同推進固態鋰電產業化。
開發了固態電池專用正極材料,有效解決了固態電池正極與電解質界面兼容性差的問題,并運用該固態電解質膜和專用正極材料制備出了能量密度高達350Wh/kg的固態電池樣品。
與清陶能源簽訂《戰略合作協議(2022-2025年)》,決定在固態及半固態電池技術開發、固態鋰電正極材料產品供貨、全球產能布局等方面建立戰略合作伙伴關系。清陶能源承諾,在2022年至2025年期間,向當升科技采購3萬噸固態鋰電正極材料。此外,與衛藍新能源簽署了戰略合作協議。
與衛藍新能源簽署了戰略合作協議,2022-2025年,衛藍新能源將向容百科技采購固態鋰電正極材料產品不低于30000噸。
已開展全固態電池用固態電解質的初步研究,目前已有專利布局。
研究院有成立專門的團隊對固態電池及其他新型電池進行跟蹤和研究。
有開展對固態和半固態電池用的材料研發和技術儲備,主要從無機類固態電解質、有機類固態電解質,以及金屬鋰負極材料方面進行研發。
公司開發了“表面納米鍍層高傳導高鎳前驅體制造核心技術”等多項與固態電池健鏈的前驅體制造技術,目前正在積極與下游客戶認證對接。
控股子公司深圳新源邦科技有限公司技術團隊已積累大量固態電解質研究經驗,相關產品實現十公斤級樣品驗證。
部分新型鋰鹽產品在固態鋰離子電池等新型電池中已形成批量銷售。
原文始發于微信公眾號(鋰電產業通):固態電池風口臨近?