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固態(tài)電池:在熱情與冷靜的天平上

固態(tài)電池:在熱情與冷靜的天平上

編輯:轉自:中國汽車報 發(fā)布時間:2024-10-11

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日前,有媒體報道稱,我國或將投入約60億元用于全固態(tài)電池研發(fā),寧德時代、比亞迪、一汽、上汽、衛(wèi)藍新能源和吉利共6家企業(yè)有望獲得政府基礎研發(fā)支持。據(jù)多位知情人士確認,此項行業(yè)內史無前例的項目由政府相關部委牽頭實施,鼓勵有條件的企業(yè)對全固態(tài)電池相關技術開展研發(fā)。該項目經(jīng)過嚴格篩選后,最后具體分為7大項目,聚焦聚合物和硫化物等不同技術路線。

這則消息恐怕并非空穴來風,固態(tài)電池已被視為新能源汽車領域發(fā)展的大勢所趨。國家大手筆的研發(fā)支持如果是真,圍繞新能源汽車的新一輪技術與產(chǎn)業(yè)升級將得到進一步強化。
01產(chǎn)業(yè)鏈上下游厲兵秣馬

近一段時間以來,全固態(tài)電池的研發(fā)進展及半固態(tài)電池上車的消息層出不窮,多家新能源車企和動力電池供應商披露了相關的研發(fā)或量產(chǎn)進展。固態(tài)電池正在成為產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)爭奪的下一個制高點。

在前沿技術方面,全固態(tài)電池干法制備取得新突破。近日,中國科學院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心研究團隊,利用熔融黏結技術干法制備出具有出色柔韌性的超薄硫化物固態(tài)電解質膜,其力學性能、離子電導率及應力耗散特性,可有效抑制電池內部應力不均導致的機械失效。據(jù)悉,運用該方法制備出的一體化全固態(tài)電池具有優(yōu)異的界面穩(wěn)定性、長循環(huán)性能。

與此同時,產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)也正加快技術研發(fā)和生產(chǎn)線建設,為固態(tài)電池的量產(chǎn)做準備。

5月29日,億緯鋰能在互動平臺上表示,在固態(tài)電池領域已開展聚合物類固態(tài)電池的研究,目前已初步實現(xiàn)室溫下的穩(wěn)定運行,將在微型電子產(chǎn)品上實現(xiàn)應用。5月22日,天齊鋰業(yè)在互動平臺上表示,已完成下一代固態(tài)電池用硫化鋰產(chǎn)品首單銷售,并且在技術路線和成本上具備較強競爭力;目前硫化鋰產(chǎn)品已實現(xiàn)小批量對外銷售,后續(xù)將繼續(xù)拓展客戶渠道。

5月16日,國軒高科在互動平臺上表示,公司能量密度可達360Wh/kg的軟包半固態(tài)電池已具備產(chǎn)業(yè)化能力,目前正對接包括整車、低空飛行等不同領域的客戶。5月6日,龍蟠科技在互動平臺上表示,全資子公司三金鋰電主要從事固態(tài)電池的前驅體生產(chǎn),目前已建成年產(chǎn)5000噸三元前驅體產(chǎn)能。5月8日,海目星在互動平臺上表示,公司參與了固態(tài)電池設備的開發(fā),對關鍵技術和關鍵工藝取得突破,并實現(xiàn)了國內固態(tài)及準固態(tài)電池中試產(chǎn)線的多種設備和產(chǎn)線的交付及生產(chǎn),其中有部分設備已實現(xiàn)480Wh/kg的電池量產(chǎn)及銷售。4月18日,贏合科技在互動平臺上表示,固態(tài)電池的發(fā)展拉動相關設備需求,公司生產(chǎn)的固態(tài)電池設備涂布機已發(fā)貨到客戶現(xiàn)場。

此外,寧德時代首席科學家吳凱在第十六屆重慶國際電池技術交流會/展覽會(CIBF2024)上稱,如果用技術和制造成熟度作為評價體系(以1~9打分),寧德時代的全固態(tài)電池研發(fā)目前處于4分的水平。他透露,寧德時代的目標是2027年達到7~8分的水平,意味著可以小批量生產(chǎn)全固態(tài)電池且機會很大,但大批量生產(chǎn)仍然面臨成本等挑戰(zhàn)。
02宣傳模糊易導致概念混淆

隨著越來越多企業(yè)加入到固態(tài)電池的研發(fā)和生產(chǎn)行列,外界關注的目光也多了起來。有人質疑究竟是企業(yè)為吸引眼球而制造噱頭,還是技術真有了實質性進展。對此,業(yè)內人士普遍認為,固態(tài)電池的研發(fā)和生產(chǎn)確在加速發(fā)展。同時,隨著技術的不斷進步和成本的逐步降低,固態(tài)電池的商業(yè)化應用也越來越接近現(xiàn)實。

上海鋼聯(lián)新能源事業(yè)部分析師常柯表示,目前固態(tài)電池處于液態(tài)電池轉向半固態(tài)電池量產(chǎn)上線階段,例如海外固態(tài)電池研發(fā)進度加快,國內上汽集團等車企紛紛表示預計“全固態(tài)電池2027年量產(chǎn)”。

4月8日,配裝“超快充固態(tài)電池1.0”的上汽智己L6正式亮相。根據(jù)智己汽車公布的信息,該款電池包的帶電量超130kWh,電池單體能量密度達368Wh,CLTC綜合續(xù)駛里程突破1000公里,可實現(xiàn)充電10分鐘行駛400公里的補能效率。

需要指出的是,智己L6所配裝的實際上是半固態(tài)電池。此前已有衛(wèi)藍新能源、清陶能源和贛鋒鋰業(yè)等企業(yè)實現(xiàn)半固態(tài)電池的量產(chǎn)裝車,東風和蔚來汽車等企業(yè)的相關產(chǎn)品投入市場。

固態(tài)電池以其高安全性、長壽命和高能量密度等特點備受矚目。然而,目前市場上的固態(tài)電池技術尚未完全成熟,大規(guī)模應用仍面臨一定的挑戰(zhàn)。半固態(tài)電池作為走向全固態(tài)電池的過渡階段,在一定程度上保留了液態(tài)電池的優(yōu)勢,同時也在安全性能上有所提升。

上汽清陶能源科技有限公司總經(jīng)理李崢在CIBF2024上表示,公眾對于半固態(tài)的理解有差異,行業(yè)缺乏明確標準?!扒逄漳茉吹陌牍虘B(tài)不是凝膠態(tài)。對我們來說,半固態(tài)到全固態(tài)是逐步升級,能存液體的空間越來越小,直到?jīng)]有液體,能量密度隨之越來越高。我們認為,半固態(tài)電池的發(fā)展能支撐全固態(tài)電池的發(fā)展,也是到全固態(tài)的必然發(fā)展過程?!彼Q。

為何固態(tài)電池的發(fā)展背上了急功近利和炒作概念之嫌?這或許與一些宣傳上的模糊說法,造成業(yè)內外對于全固態(tài)電池與半固態(tài)電池之間的差異混淆脫不開關系。據(jù)介紹,動力電池按照液態(tài)電解質占電芯的比重,一般可劃分為液態(tài)(25%)、半固態(tài)(5%~10%)、準固態(tài)(0~5%)和全固態(tài)(0%)。業(yè)內人士指出,在追求技術突破和產(chǎn)業(yè)化進程的同時,也需要避免過度宣傳和浮躁情緒的影響,只有踏實推進技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程,才能真正推動固態(tài)電池技術的健康發(fā)展。
03上車時間或在2027年前后

雖然存在部分質疑聲音,但這并沒有阻擋固態(tài)電池的發(fā)展步伐,整車廠商紛紛開始公布明確的上車時間表。

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5月24日,上汽集團表示,2027年配裝全固態(tài)電池的智己新車將實現(xiàn)量產(chǎn),并正式交付用戶;后續(xù),全固態(tài)電池能量密度有望進一步提升至500Wh/kg。廣汽集團也發(fā)布了全固態(tài)電池將于2026年量產(chǎn)裝車的消息。豐田、日產(chǎn)、本田分別計劃于2027年、2028年和2030年投放配裝全固態(tài)電池車型。三星SDI、SK On、LG新能源也發(fā)布了全固態(tài)電池的商業(yè)化計劃。

日前,東方證券發(fā)布研報稱,國內固態(tài)電池材料體系全面優(yōu)化,產(chǎn)業(yè)鏈存在較多潛在機會。電解質為固態(tài)電池關鍵創(chuàng)新點;正負極材料向高性能方向迭代,打開高鎳三元、硅基負極乃至鋰金屬負極的應用空間;封裝多采用軟包路線,鋁塑膜需求有望提升。由于近期固態(tài)電池利好不斷,該機構看好產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中不斷涌現(xiàn)的階段性機會。

“目前,全固態(tài)電池處于由技術突破到工程化實現(xiàn)的發(fā)展階段。全固態(tài)電池主流技術路線尚未明確,硫化物、氧化物聚合物復合等多條技術路線共同發(fā)展?!?/span>中國汽車戰(zhàn)略與政策研究中心高級研究員孫昱晗介紹說,根據(jù)調研了解,目前國內外重點企業(yè)仍在針對全固態(tài)電池界面、析鋰等核心卡點問題開展技術攻關,部分企業(yè)建設中試線嘗試相關技術的工程化實現(xiàn)。他認為,2027年,全固態(tài)電池有望實現(xiàn)裝車應用,實現(xiàn)從“0”到“1”的突破;2030年后,經(jīng)過一代產(chǎn)品的迭代,預計可以實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn),產(chǎn)業(yè)鏈逐步打通。

車夫咨詢合伙人曹廣平認為,固態(tài)電池目前處于“技術可期、產(chǎn)業(yè)探索、商用尚早、市場呼喚”的發(fā)展階段。全固態(tài)電池由于各方面仍不太成熟,甚至技術路線也未完全確定,所以量產(chǎn)時間還很難說,但固態(tài)類的電池,尤其是半固態(tài)電池的實驗室研發(fā)已與車企對接,因此可能在2025~2030年批量生產(chǎn)。

不過,有業(yè)內專家強調,量產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化完全是兩個概念,技術成熟就可以生產(chǎn)產(chǎn)品,但產(chǎn)業(yè)化不是一兩家企業(yè)就能實現(xiàn)的,而是整條產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)都能夠做到;只有達到一定規(guī)模,產(chǎn)品成本才有下降空間,否則以液態(tài)電池5、6倍的價格,固態(tài)電池憑什么在市場上立足?中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高也曾直言,雖然到2030年全固態(tài)電池有望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,但在當下階段企業(yè)還應腳踏實地解決關鍵問題。

行業(yè)內半固態(tài)電池紛至沓來熱潮的背后,究竟誰等不及了?是車企急于提升產(chǎn)品競爭力,還是供應鏈渴望抓住新的增長機遇?是終端市場期待更先進的電池技術,還是資本看好固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的前景?這個問題的答案恐怕并不是單一的。固態(tài)電池作為一種顛覆性的技術,其潛在的商業(yè)價值巨大。固態(tài)電池的量產(chǎn)還關系到科技主導權之爭。誰能夠真正率先量產(chǎn),誰就會占據(jù)新的主導權。中國在動力電池上的領先優(yōu)勢,也需要進一步延伸到固態(tài)電池領域之中。
04跨越技術與成本雙重難關

??卤硎荆虘B(tài)電池量產(chǎn)主要面臨三方面的挑戰(zhàn),一是能量密度提升需要整個產(chǎn)業(yè)鏈適配,正極材料向無鈷靠攏,富鋰錳基潛力巨大,但目前難以解決電壓衰減、循環(huán)壽命低等問題,產(chǎn)業(yè)化進程受限;二是受技術制約,當前固態(tài)電池工藝尚未成熟,其發(fā)展亟需解決3個核心科學問題,即固態(tài)電解質的離子輸運機制、鋰枝晶生長機制和多場耦合下的失效失控機制;三是受成本制約,部分材料售價昂貴,阻礙固態(tài)電池的量產(chǎn)解決方案。作為液態(tài)電池和固態(tài)電池的折中產(chǎn)品,半固態(tài)電池有望率先量產(chǎn)。固態(tài)電池比傳統(tǒng)鋰電池更容易適配鋰金屬負極和硅碳負極,但硅碳負極所需涂覆的額外電解質導致成本高,鋰金屬負極成本雖然較低,但技術上仍存在鋰枝晶反應等難關。

“固態(tài)電池的量產(chǎn)有眾多關鍵技術難題有待解決。如固態(tài)電解質和電極間的界面問題,以及金屬鋰負極的鋰枝晶問題,電池層級的安全管理策略等關鍵技術也不成熟。”孫昱晗表示,“工程化制備技術也有待突破,一是固態(tài)電池裝車應用需要數(shù)百兆帕的超高壓工藝,實現(xiàn)結構完全致密化以解決界面問題,相關的工藝和裝備有待開發(fā)優(yōu)化;二是固態(tài)電池需要嚴苛的工藝環(huán)境,遠高于現(xiàn)有液態(tài)電池的濕度要求,才能避免釋放劇毒硫化氫氣體;三是固態(tài)電池工藝一致性要求更高,需要強大的工程能力和制造經(jīng)驗進行支持?!?/span>

整體來看,成本和技術仍是固態(tài)電池量產(chǎn)的主要攔路虎。曹廣平認為,固態(tài)類電池發(fā)展總體樂觀,因為多條技術方向上有可能競爭出1~2條比較好的產(chǎn)品路線。目前難點主要是集中在界面阻抗、穩(wěn)定性、壽命、工藝以及成本上,且這些要素之間相互影響。因此,在相互作用以及共同發(fā)展過程中,行業(yè)還必須經(jīng)過多輪實驗室測試、小試、中試等來回反復的階段,不同的技術路線會展現(xiàn)不同的特點。

“固態(tài)電池是下一代動力電池產(chǎn)業(yè)技術競爭的戰(zhàn)略制高點。固態(tài)電池在比能量、安全性、溫度適應性等方面較傳統(tǒng)液態(tài)電池具有革命性優(yōu)勢,可支撐新能源汽車滿足全場景、全氣候、高安全的使用需求,是企業(yè)在下一代動力電池競爭中取得優(yōu)勢的實現(xiàn)路徑,也是鞏固擴大我國智能網(wǎng)聯(lián)新能源汽車產(chǎn)業(yè)領先優(yōu)勢的重要抓手?!睂O昱晗表示,除新能源汽車外,固態(tài)電池在航空航天、國防軍工等戰(zhàn)略性領域同樣具有廣闊的應用前景。因此,固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義,需要產(chǎn)業(yè)各方協(xié)同推動發(fā)展。

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05尋求突破也要用好現(xiàn)有資源

歐陽明高表示,全固態(tài)電池是公認的下一代電池首選方案之一,被列入中國、美國、歐盟、日韓等主要國家的發(fā)展戰(zhàn)略,也成為下一代電池技術競爭的關鍵制高點。但他同時提醒,半固態(tài)電池正在試裝車,良品率、電池成本、充電倍率、循環(huán)壽命這些問題還需要解決。從全行業(yè)看,中國既要發(fā)展?jié)u進性的半固態(tài)技術路線,又要防范激進型全固態(tài)技術路線帶來的顛覆性風險。

對此,孫昱晗認為,全固態(tài)電池與正極材料體系兼容度高,但對負極材料、隔膜、電解液、制造裝備等現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)造成較大影響。負極材料方面,固態(tài)電池采用鋰金屬負極與固態(tài)電解質匹配,能充分體現(xiàn)全固態(tài)電池高能量密度的特點,未來金屬鋰有望成為全固態(tài)電池的主流負極材料,對現(xiàn)有石墨等負極材料體系造成沖擊。電解液方面,氧化物、硫化物等無機固態(tài)電解質通常采用溶劑凝膠、高溫固相、高溫燒結等方法制備,不再需要傳統(tǒng)電解液的溶質和溶劑,將完全取代當前電解液體系,對產(chǎn)業(yè)帶來顛覆性變革。隔膜方面,全固態(tài)電解質體系下,可能會逐步取消使用現(xiàn)有液態(tài)電池體系下的隔膜,對現(xiàn)有鋰電隔膜產(chǎn)業(yè)影響較大。生產(chǎn)制造裝備方面,注液機等個別設備會被完全取消,需要增配與固態(tài)電解質成膜、等靜壓、干法電極等工藝相匹配的設備,對生產(chǎn)制造裝備升級提出較大的挑戰(zhàn)。

在業(yè)內專家看來,以應用為本,高性能鋰電池的發(fā)展之路應多維并進,除對固態(tài)電池這一前沿技術開展探索外,同樣不能忽視在液態(tài)電池領域的深厚積淀和顯著優(yōu)勢。這些優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在技術研發(fā)的成熟度上,還展現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)鏈完善、成本控制及市場應用廣泛等多個方面。

液態(tài)電池仍有一定的提升潛力和廣闊的發(fā)展空間。隨著新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn),中國動力電池產(chǎn)業(yè)鏈有望進一步提升鋰電池的能量密度,提升新能源汽車的續(xù)駛里程和安全性能。在充電速度方面,通過優(yōu)化電池結構、提升充電效率等技術手段,可進一步縮短充電時間,提高用戶體驗。因此,在推動高性能鋰電池發(fā)展的過程中,我國應充分利用現(xiàn)有優(yōu)勢,延續(xù)在非固態(tài)電池領域的領先地位,并不斷挖掘和拓展新的技術方向和應用場景。


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