這兩周,關于固態電池的新聞不少。
日產表示已經成功開發出全固態電池,預計2025年試生產,2028年正式生產一款固態電池的電動汽車;贛鋒宣布搭載自家電池的固態純電SUV將要在今年上市;高樂股份發公告正式量產2GWH固態電池項目......種種消息令人感覺固態電池商業化的腳步越來越近了。
同時,股市固態電池板塊大爆發,強勢吸睛。珈偉新能、山東章鼓、新綸新材、金龍羽、豪鵬科技等出現漲停,贛鋒鋰業收漲超6%,翔豐華漲超12%,上海洗霸,短短兩周內股價更是上漲近7成。
有人開玩笑地說,固態電池接過ChatGPT的火炬棒成為新的上位者。
“能量悍匪”
為啥固態電池這么火呢。
究其原因,繞不開液態電池的幾個不容忽視的瑕疵:第一,安全性沒有100%的解決;第二,冬天續航顯著下降,嚴重的里程焦慮;第三,充電耗時,還不能夠快充。
固態電池把容易燃燒的液態電解質換為不易燃燒的固態電解質,首先把安全性能提升上來了。
去掉了液體電解質和隔膜,儲能空間變大,能量密度的提升也很顯著,相比傳統鋰電池 250Wh/kg 的能量密度,NASA聲稱其研發的固態電池能量密度已經逼近 500Wh/kg,幾乎相當于前者的兩倍。同時,工作溫度變得更寬了,固態電解質耐熱極限都在400℃以上,顯著高于液態電池隔膜160℃的耐熱極限。
還有一項數據,關于固態電池的續航、快充和使用壽命。美國QuantumScape公司曾公布,他們研發的固態電池未來量產后最高續航達到2000公里,15分鐘可以充滿80%,使用壽命超過100萬公里。
簡而言之,戰斗力持久,回血快,壽命長。你說,這樣強悍的性能表現,誰不心動。
“曲線救國”的半固態
當然地指出,上面部分數據源于實驗室,等落實到規模化量產,這個過程還需要很長的時間。
具體是卡在什么地方呢?
一方面,全固態電池還有一些技術難點有待突破。
咱們可以粗略打個比方,把兩塊冰相碰,它們內部物質的接觸程度肯定不如混合兩杯水時充分。固態電解質就存在這個問題,它的離子電導率遠低于液態電解質,反映在電池上,就是內阻增大、倍率性能變差等。現在的固態電池普遍是高能量密度低倍率的,商用上許多密度360Wh/kg的產品,最大放電倍率只有3C,標稱充電倍率好像是1C—1.5C,這樣的功率基本上帶不動高性能車的發動機。
此外,研究發現固態電池鋰枝晶可能會折斷,導致“死鋰”情況發生,降低電池容量。金屬鋰循環過程中出現多孔,體積無限膨脹。
另一方面,成本高也是制約全固態電池商業化的因素。有很多人吐槽咱們現在用的液態鋰電池貴,可你知道全固態電池的成本價格嗎,是它的四倍。
但這也難不倒電池企業。具體解決辦法就是在固體之間摻一點液體,通過在全固態電池內部添加部分電解液來改善界面做成半固態電池。這樣一來,半固態電池就成為液態電池向全固態電池過渡的產品。
國內的贛鋒、清陶能源、蜂巢能源等企業目前推出的產品本質上都是半固態電池。
半固態電池工藝流程跟液態電池還是很接近的,對隔膜、電解液的需要仍然存在,只是一些與固態電解質有關的關鍵工藝環節,材料和操作方式。但到全固態階段,將會告別隔膜與電解液環節,逐步取代現有體系。巧合的是,鋰電隔膜龍頭恩捷股份近日來股價走勢較為低迷。
工藝容易操作是半固態電池的一個優點,另外液態電解液減少之后,電池安全也得到改善。但若是從技術角度講,半固態對于能量密度提升的幫助有限。
固態電解質是核心
決定固態電池性能的核心關鍵是固態電解質,它們現在有三類——聚合物、氧化物、硫化物。當然,它們各有優劣。
其中,高能聚合物體系還停留在實驗室階段,較少被討論到。
目前比較主流的是氧化物體系,它的電導率適中,相對便宜,所以發展步調也最快。不過從性能而言,硫化物體系潛力最高,最有可能成為未來商用的終極技術路徑。它的離子導電率可以做到液態差不多的水準,并且本身材料比較軟,跟負極接觸更充分,但是價格貴些,以及生產過程中容易產生硫化氫有毒氣體。
國外其實對固態電池的研究起源更早。
日本較早進行布局,期望在固態電池方面實現彎道超車。如豐田,2010-2014年就出現了一波專利申請的熱潮,研究方向聚焦在硫化物體系固態電解質。豐田、松下、京都大學、日本理化學研究院等38家汽車、電池、材料企業和科研機構聯合,計劃到 2030 年前后將固態電池組每千瓦時的成本降至鋰電池的 30%。
韓國擁有領先技術的三星 SDI 和 SK電池企業也選擇聯合研發固態電池。
BBA等歐美車企采取投資 Solid Power、Solid Energy Systems、Ionic Materials 、Quantum Scape 等初創公司的方式,期望從中獲得技術儲備,謀求在固態電池領域翻盤。如寶馬,除了自建電芯研發中心,另一方面也積極和 Solid Power 合作,有望于 2026 年實現固態電池突破和量產。
國產全面提速
國外公司布局雖早,但在量產能力、產業鏈成熟度、新技術使用意愿及需求方面還是國內更有優勢,產業化應該更快。
我國政府一直很關注固態電池,在新能源汽車產業規劃中,提出希望到2030年,國內液態電解質可以演變為固態。
各大企業也在你追我趕,以一種迅猛的勢頭全力沖刺。
像國內的贛鋒走的是氧化物厚膜路線,它和孚能科技都已有中試生產線;清陶能源主攻氧化物體系,蓄力研發聚合物與硫化物體系。寧德時代也堅持全固態方案,目前蓄力在硫化物體系的研究上。
2022 年,搭載半固態電池的車型陸續推出,如蔚來發布 ET7、東風發布 E70、嵐圖發布追風。據估計2024~2025 年半固態電池會迎來突破進展。而寧德時代等企業表示,全固態電池預計在2030 年實現商業化應用。未來,固態電池也會在高端應用市場大顯身手,例如無人機、醫用等領域,由此再慢慢向動力及消費電池領域擴展。
每次市場蛻變,都會有一波企業迎來機遇。上游諸如聚焦氧化物固態電解質的如上海洗霸、東方鋯業、三祥新材;硫化物固態電解質的如云南鍺業;添加劑方面的如瑞泰新材;負極材料里面的如硅寶科技、翔豐華;中游的如贛鋒鋰業、寧德時代、金龍羽、高樂股份、德爾股份、孚能科技等企業,市場前景充滿潛力。
雖然真正量產的浪潮還未來臨,但在產業提速過程中,每個節點都面臨革新。固態電池中的隔膜環節被替代,就是一個例子。舊有企業如何在趨勢中減少被淘汰的風險,值得深思。
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