固態(tài)電池，加速！
編輯：轉(zhuǎn)自：科創(chuàng)板日報
發(fā)布時間：2024-12-13
在近日舉行的2024年高工鋰電年會上，高工產(chǎn)業(yè)研究所(GGII)所長于德德龍表示，GGII去年預(yù)測，2024年固態(tài)電池出貨量會破5GWh，但從截止到前三季度的數(shù)據(jù)來看，預(yù)估到今年年底，固態(tài)電池取得的出貨量將超過7GWh，2030年要往300GWh的級別走。而全固態(tài)電池將在2028年后破GWh，2032年前后，破百GWh。當(dāng)前，隨著固態(tài)電池的持續(xù)發(fā)展，《科創(chuàng)板日報》記者注意到，鋰電產(chǎn)業(yè)鏈正迎來新的變化，同時新的應(yīng)用場景正加速產(chǎn)業(yè)化進程。
▌液態(tài)到固態(tài)：材料、工藝、設(shè)備加速迭代
相比于液態(tài)電池，固態(tài)電池可認(rèn)為是將鋰離子電池中電解液、隔膜用固體電解質(zhì)替換，最大的變化是電解質(zhì)與活性物質(zhì)的接觸方式由固-液接觸變?yōu)楣?固接觸，由此產(chǎn)生一系列變化。衛(wèi)藍新能源研發(fā)總經(jīng)理徐航宇表示，固態(tài)電池的挑戰(zhàn)包括全壽命周期工況下持續(xù)穩(wěn)定的界面接觸、單一固態(tài)電解質(zhì)材料難以滿足全固態(tài)電池需求。基于此，其認(rèn)為混合固液電池的開發(fā)策略彌補了單一電解質(zhì)材料的短板。“目前，公司基于氧化物和聚合物固態(tài)電解質(zhì)，已實現(xiàn)混合固液電池的量產(chǎn)，產(chǎn)品應(yīng)用于低空經(jīng)濟、新能源汽車、儲能等領(lǐng)域。”在固體電解質(zhì)作用下，正極材料開發(fā)同樣面臨新的變化。宜賓鋰寶副主任工程師周宇環(huán)表示，固態(tài)電池正極材料開發(fā)面臨的主要問題包括界面穩(wěn)定性、電化學(xué)穩(wěn)定性、機械接觸穩(wěn)定性和成本問題。因此，固態(tài)電池正極材料的幾何外形和尺寸應(yīng)該根據(jù)所用電解質(zhì)形態(tài)進行個性化設(shè)計，實現(xiàn)與電解質(zhì)的緊密配合。固態(tài)電池正極材料需要朝著更加致密、無裂紋、零應(yīng)變方向開發(fā)。正極材料表面包覆需要更加精準(zhǔn)的控制，要求包覆均勻且厚度可控、需要開發(fā)適用于工業(yè)生產(chǎn)的新型包覆工藝。電池工藝方面，干法工藝被廣泛關(guān)注。華彩科技CTO陳陽表示，干法電極拋棄傳統(tǒng)液態(tài)溶劑，與固態(tài)電池設(shè)計理念類似。在干法技術(shù)的賦能下，固態(tài)電池的極片制造過程可實現(xiàn)完全干燥、消除了濕法工藝烘干后，溶劑分子的殘留問題。此外，利用粘接劑的原纖化作用制造固體電解質(zhì)膜，能提升固態(tài)電池性能，其優(yōu)勢包括孔隙率更低，提高離子導(dǎo)電率；活性物質(zhì)和粘接劑干混成膜，無需烘干制造成本更低；壓實密度更高，更有利于解決固固界面問題。曼恩斯特鋰電涂布研究院院長李寧亦表示，在材料層面，干法避免了液態(tài)介質(zhì)帶來的復(fù)雜反應(yīng)，使材料間相互作用更易把控。但干法可在低溫度環(huán)境操作，通過優(yōu)化參數(shù)能保障硫化物電解質(zhì)和電極材料形成優(yōu)質(zhì)界面。工藝層面，干法中的混合、壓延等操作在中試線電極生產(chǎn)中具備可操作性，能夠精準(zhǔn)調(diào)控粉末特性和工藝參數(shù)，如控制混合比例和壓延壓力，從而產(chǎn)生厚度與密度適宜的電極片。新工藝則需匹配新的設(shè)備。利元亨固態(tài)電池技術(shù)總監(jiān)盧其輝表示，該公司的電極干法涂布設(shè)備，相比較濕法電極工藝，可減少11.5%原材料溶劑成本，以及減少46%以上能源消耗，具備高經(jīng)濟性。同時，其還提到，固態(tài)電池關(guān)鍵設(shè)備還包括輥壓熱復(fù)合雙軋一體機、極片膠框印刷&疊片一體機、高壓化成分容設(shè)備。其中，極片膠框印刷&疊片一體機的作用是，固態(tài)電池取消隔膜，且要求大壓力化成，因此電池極片邊緣變形，容易導(dǎo)致內(nèi)短路問題。將樹脂印刷到電極邊緣位置形成回形框，在壓力下起到支撐和絕緣作用。同時，高壓化成分容設(shè)備經(jīng)過初始充放電過程，可激活電池材料并穩(wěn)定電池性能。常規(guī)電池化或拘束壓力要求3-10t，固態(tài)電池化或拘束壓力要求60-80t（10Mpa壓強/單個電芯）。相比于液態(tài)電池，固態(tài)電池車間環(huán)境也將更嚴(yán)格， 包括更嚴(yán)格的低露點管控，露點將在-50攝氏度。同時要對硫化物和鹵化物固態(tài)電池設(shè)備增加防毒，防爆設(shè)計。
▌全固態(tài)電池仍面臨多方問題 eVTOL廠商呼吁材料端突破
當(dāng)前，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，固態(tài)電池仍處于發(fā)展初期，主要以半固態(tài)為主，全固態(tài)電池在成本、工藝、安全生產(chǎn)等方面仍面臨諸多問題。成本方面，GGII所長于德龍?zhí)岬?，原材料售價高，硫化物當(dāng)前售價5萬元/kg，全固態(tài)成本是液態(tài)的10倍以上。同時，產(chǎn)線投資額上，以江蘇欣界擬向海目星采購的2GWh電池自動化生產(chǎn)線設(shè)備來看，預(yù)計設(shè)備采購金額約為人民幣4億元。多位業(yè)內(nèi)人士向《科創(chuàng)板日報》提及，當(dāng)前一條固態(tài)電池產(chǎn)線根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格投資額有所不同，不過基本上相當(dāng)于此前液態(tài)電池產(chǎn)線翻倍的金額，同時固態(tài)電池新設(shè)備如等靜壓設(shè)備一臺需要上百萬元，極大提升成本。工藝層面上，全固態(tài)電池在正極干法工藝和等靜壓工藝等方面面臨量產(chǎn)難點。利元亨固態(tài)電池技術(shù)總監(jiān)盧其輝表示，其中包括干法正極連續(xù)生產(chǎn)面臨挑戰(zhàn)，干混技術(shù)和粉末定量進料技術(shù)存在難題，降低了制造速度以及電極材料均勻分布。軋輥系統(tǒng)穩(wěn)定性和壽命面臨挑戰(zhàn)，大粒徑鐵鋰成膜過程中設(shè)備卡滯，小粒徑成膜過程中設(shè)備高頻振動異響問題，以及軋輥表面疲勞壽命問題。等靜壓工藝方面，其提到，極端高壓對電芯的損傷，高達500Mpa等靜壓對電芯造成外觀破損和內(nèi)短路問題；等靜壓設(shè)備產(chǎn)能低，壽命短，每缸的最大產(chǎn)量僅為48件（動力軟包電池），且在500兆帕的壓力下，缸體材料即達到屈服極限，每次操作都會導(dǎo)致塑性變形。本征安全方面，盟維科技副總經(jīng)理李洪飛表示，全固態(tài)電池的安全性及失效機理有待深入研究?，F(xiàn)有部分實驗結(jié)果表明全固態(tài)電池不等于絕對安全，固態(tài)電解質(zhì)也會發(fā)生熱失控，其安全性及熱失控機理還需更多深入研究；全固態(tài)鋰金屬電池體系，固態(tài)電解質(zhì)材料搭配金屬鋰負極時，會發(fā)生鋰枝晶會沿著固態(tài)電解質(zhì)的晶界、裂紋和縫隙生長等情況，同樣會導(dǎo)致電池短路，存在熱失控風(fēng)險。應(yīng)用場景方面，當(dāng)前，新興市場如eVTOL領(lǐng)域應(yīng)用端持續(xù)受到關(guān)注。今年11月14日，億航智能宣布，與欣界能源、國際先進技術(shù)應(yīng)用推進中心（合肥）低空經(jīng)濟電池能源研究院聯(lián)合研發(fā)的高能量固態(tài)電池取得重大技術(shù)突破。EH216-S搭載該電池成功完成單次不間斷飛行測試，達到48分10秒，適用不同飛行需求，續(xù)航時間顯可著提升60%-90%。欣界能源總裁孫立在高工鋰電年會上介紹稱，該公司固態(tài)電池采用鋰金屬負極和氧化物陶瓷固態(tài)電解質(zhì)，已經(jīng)過億航等低空飛行領(lǐng)域多家客戶的專業(yè)測試，第一條（＞450Wh/kg）固態(tài)電池200MWh中試線已于2023年年底穩(wěn)定生產(chǎn)，正在規(guī)劃建設(shè)（＞450Wh/kg）固態(tài)電池2GWh產(chǎn)線，將于2025年Q2投產(chǎn)，預(yù)計總投資10億元，用地70畝。不過，億航智能副總裁張宏表示，電池整體往更高比能量走的話，現(xiàn)在材料是不夠的。就現(xiàn)在固態(tài)電池能用上的最好的成熟材料就是九級超高鎳配第三代納米硅碳。這個材料體系如果要做到高倍率的話，仍然面臨瓶頸。“未來我們也是呼喚下一代材料，比如說能夠有效提升電芯電壓的材料，眼下看起來好像沒有特別好的新一代的正極材料來適配低空經(jīng)濟這一領(lǐng)域，同時負極的復(fù)合鋰金屬也還不成熟?！?/span>多家廠商正尋求突破。其中，鋰金屬電池廠商盟維科技副總經(jīng)理李洪飛認(rèn)為，采用金屬鋰作為負極是提高電池能量密度的重要途徑，利用鋰的沉積和脫出進行儲能。金屬鋰?yán)碚摫热萘窟_到3860mAh/g，同時具有低電極電勢，是電池下一代負極材料的終極目標(biāo)。其向《科創(chuàng)板日報》提及，目前公司正與多家eVTOL廠商合作開發(fā)中。力神電池基礎(chǔ)研發(fā)部固態(tài)電池研發(fā)經(jīng)理張進表示，該公司產(chǎn)品選用克容量更高的活性物質(zhì)材料，單體電池能量密度可突破400Wh/kg，選用鋰金屬類負極單體電池能量密度可大于500Wh/kg。目前該公司已完成3家eVTOL訂單，累計銷售額近億元。不過，整體而言，億航智能副總裁張宏亦提及，電池安全本身需要系統(tǒng)層面的合力把控，“如果系統(tǒng)層面沒有特別好的方法，或整機層面沒有足夠好的安全的管控，我們其實不建議用三元的?，F(xiàn)在三元不管是液態(tài)還是半固態(tài)，它的安全性在航空級層面仍有待提升。所以我們還是希望就是系統(tǒng)集成層面，包括智能管控以及整機設(shè)計層面，大家能夠一起努力，別把壓力全都壓到電池身上。”
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