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产业化进程加速,固态电池开辟锂电新未来

2023-3-5    来源:重庆市汽车配件行业协会    作者:重庆市汽车配件行业协会  浏览次数:1625

导语:

固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池,因其高能量密度和高安全性的显著优势,有望解决传统液态锂电池安全事故频现、能量密度临近上限等诸多问题,在电池需求高速增长及技术代际升级的双重驱动下乘势而起。固态电池被认为将颠覆现有的电池体系,成为最具前景的新一代电池材料技术。

向固态锂电池过渡是锂电技术进步的重要趋势,全球范围内,各大车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才方面积极布局,以加速固态电池产业化进程。去年11月,由光源资本担任独家财务顾问的卫蓝新能源宣布完成15亿元 D 轮融资,我们看好卫蓝新能源作为国内固态锂电“国家队”在助推固态锂电池产业化、引领行业变革方面的深厚实力。本篇研究将分享光源资本对于固态锂电产业未来发展的观察与思考。

研究团队 | 光源碳中和小组 李昊、栾声远、王庆雯、刁晨卓、纪鸿思

01 从液态走向固态,锂电池技术迎来代际升级

对于固态电解质锂离子电池的理论研究可以追溯到 1972 年,英国科学家 Stanley Whittingham 首次提出固态电解质的基本标准。1991年 Sony 公司成功开发首款商业化液态锂离子电池,其面世率先革新了消费电子的产品形态,大大降低了移动电话、笔记本电脑等消费电子的重量和体积,并大幅延长了电池的使用时间。随后液态锂离子电池进入快速发展阶段。

走过半个多世纪的发展历程,锂电池技术不断迭代,使用场景也愈发丰富。以电动汽车为代表的新能源需求旺盛,带动动力电池出货量大幅提升。此外,随着光伏、风电等清洁能源在能源结构中的占比不断提升,对储能电池的需求也与日俱增。预计至2025年,全球锂电出货量将达到1926GWh。当前,受重量、体积、安全性等因素限制,液态锂电池已接近能量密度天花板,技术迭代成为动力电池行业焦点议题。而储能系统的复杂性则对电池循环寿命、安全性、系统兼容性,及电池供应商技术和项目能力提出更高要求。固态电池技术因其高安全性、高能量密度等优势引起了人们的关注,并将成为未来重要的电池发展方向。

1)固态电池可突破液态电池安全性与能量密度的局限

目前主流的锂电池产品采用的主要为液态电解质,其问题主要是两方面:安全性和能量密度。

安全性问题频出,引发公众疑虑:近年来,随着锂电池的大规模应用,液态电池的安全隐患也逐渐突显。液态电池的电解液溶剂具有易挥发、低闪点的特点,在较高温度下易燃易爆,且具有一定毒性。此外,液态电池的负极表面容易形成锂枝晶,刺穿隔膜造成正负极短路,导致电池起火。这些都将矛头指向液态电解质。

液态电池能量密度临近上限,亟需技术迭代升级:液态锂电池的能量密度在350Wh/kg已到达瓶颈,目前水平已接近天花板,难以获得进一步的突破。有机电解液无法兼容金属锂等高比能量电极材料,且圆柱、方形锂电池还需要坚固的金属外壳,这使得电池的形状、尺寸、比能量等均受到很大限制。

固态电池有望从根本上解决锂离子电池的安全性和能量密度等问题,颠覆现有的电池体系。从安全性来看,固态电解质耐高温、耐挤压针刺,同时无腐蚀性,不易挥发,不存在漏液问题,锂枝晶在固态电解质中生长缓慢且难刺透,极大降低了电池热失控风险,电池自燃或者爆炸的概率显著减小。而从能量密度来看,固态电池允许适配高能正极与锂金属负极,目前固态电池的实验室数据已超过400Wh/kg,突破传统液态锂电池的能量密度天花板。此外,固态电池还拥有更简化的电池系统、宽工作温度范围、可柔性制备等优势,都使得固态电池较传统液态电池拥有更丰富的应用场景,能满足更多样的市场需求,且性能指标更优。

2)固态电池不同技术路线各有优劣

全球范围内,各车企和电池企业都在积极布局固态电池技术。固态电池的技术发展采用逐步颠覆策略,从发展路线来看,液态电解质含量逐步下降,从传统液态电池到最终全固态电池的发展可以分为五大阶段:(1)传统液态电池;(2)凝胶态电池;(3)半固态电池;(4)准固态电池;(5)全固态电池。

全固态电池尚存在诸多技术难题有待解决,短期内实现产业化及商业化仍面临较大的挑战。目前行业尚处于半固态向全固态发展的阶段,半固态电池基本满足当前商业化应用需求,有望率先实现量产,根据技术发展和市场需求逐步调整向全固态迭代。业内预计全固态锂电池将在2020-2025年期间实现小批量生产,大规模商业化则需等到2030年左右。

固态电解质是固态电池的核心,电解质材料对电池的各项性能参数有着决定性影响,如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命。目前比较成熟的固态电解质分为三类:聚合物、氧化物、硫化物。从技术路线上看,三种技术路线皆有企业布局,其中欧美企业偏好聚合物与氧化物体系,而日韩企业则更多致力于研发硫化物体系。

聚合物是最早实现固态电池装车测试的技术路线,已实现小规模量产,但其离子导电能力率低,有待向高能聚合物电解质方向发展。2011年法国公司 Bolloré 率先实现固态电池电动车的商业化应用,生产出负极采用金属锂、正极采用 LFP、电解质采用 PEO 等聚合物薄膜的固态电池(LMP?),并批量应用于自主开发的电动汽车 Bluecar 和 Bluebus。聚合物固态电池的界面相容性好,具备较好的机械性能和韧性,制备工艺较为简单,但其劣势在于室温下离子电导率低,需要加热到60度高温才能正常工作,升温后离子电导率大幅提高,但既消耗能量又增加成本,增大了商业化的难度。并且稳定性较差,难以匹配适用于高电压的正极材料,限制能量密度,性能上限不高。

氧化物固态电池综合性能较为优异,在微型电子、消费电子等领域已有应用,其研发成本和难度较低,缺点为界面阻抗严重。相较于聚合物,氧化物的优势在于离子电导率较高,环境稳定性好,同时电化学窗口宽,适用高电压电极材料。但氧化物为陶瓷材料,存在刚性界面接触问题,造成界面阻抗较大,而且加工难度大,机械性能差,倍率性能低。

硫化物是三种固态电解质中电导率最高、开发潜力最大的材料,但该技术路线稳定性较差,易氧化问题突出,研究难度最高。硫化物电解质的离子电导率可与液态电解质相媲美,电化学窗口宽,质软易加工,力学性能较好,受到诸多企业青睐。但其缺点也很明显:稳定性差,硫化物与水接触会产生有毒气体H?S,对生产使用环境要求高;机械强度较弱;开发难度大;原材料成本高。因此硫化物电池的技术难度最高,商业化进展也是当前三种技术路线中最慢的。

固-固界面接触对电池的倍率性能和循环性能有较大影响,是固态电池迈向商业化途中最大的技术难题之一。除了高能量密度、高安全性以外,新一代锂电池对高倍率性能及长循环寿命同样具有强烈需求。然而由于存在固-固界面问题,固态电解质的离子电导率比液态电解液低1-2个数量级,同时固态电解质和电极之间难以保持长期稳定的接触,导致电池内阻较大。此外,固态电池的电极在充电时会膨胀,放电时收缩,固-固界面在这个过程中可能会造成电解质破裂或分离,对电池的循环性能带来挑战。

总体上,单一的电解质技术路线很难解决所有的问题,因此很多企业寻求复合路线。卫蓝新能源基于原位固态化技术,采用聚合物和氧化物的复合技术路线,可在短期内实现规模化量产,并持续探索优化固态电池技术方案。卫蓝新能源已申请国家专利400余项,授权100余项,涉及固态电池复合正极、固态电解质、隔膜和负极等核心材料和技术,目前已攻克固态电池界面、安全、能量密度三大核心问题,聚焦高能量密度、高安全、高功率、宽温区、长寿命的固态电池产品,持续在高端动力、储能等领域推出技术和经济性同步领先的系列产品,率先实现商业化应用。

02 技术变革重塑锂电产业格局,新材料、新技术进入高速发展阶段

1)固态电池处于商业化早期,产业链完善需要时间

固态电池对现有液态电池体系有着较好的兼容性。在材料上,固态电池与液态电池的正极材料体系基本相同,同时由于固态电解质拥有高电化学窗口,可兼容更高电压的正极材料,如高镍层状氧化物、富锂锰基、高电压镍锰尖晶石型等;负极可以兼容现有材料体系,也能逐步衍变到克容量更高的硅基负极以及金属锂;隔膜是液态电池的必备材料,可以隔绝正负极材料,防止电池短路,当前在半固态锂电池体系下仍存在,但全固态时代下将被逐步替代。

固态电池的制备也应用了一批特有的新材料。例如,在固态电池中,现有的液态溶剂会被完全取代,聚合物固态电池则需要以 PEO 或类 PEO 聚合物作为固体溶剂,溶质则会被 LiTFSI/LiFSI 或新合成的容易解离的大阴离子基团型锂盐来替代。而对于氧化物/硫化物电池来说,相应的固态电解质需要通过溶胶凝胶法、高温固相法、高温烧结法等来制备。

在生产工艺方面,不同技术路线的固态电池,对液态电池的生产工艺兼容性差距较大。聚合物电解质的成膜性好,可直接使用液态电池凝胶涂布法来制备;氧化物电解质因韧性差,电池组装难度大,需要开发新的特殊工艺;而硫化物则介于两者之间,其机械强度适中,电解质粉末经冷压即可制备。未来,固态电池的技术发展还有很大空间,生产工艺亦有可能出现革新,如锂金属负极的应用、固态电解质混料与包覆就需要额外的工艺流程。

2)政策引导+企业积极布局,固态电池商业化提速

全球范围内,各国政府陆续出台政策措施,推动固态电池领域快速发展。例如,美国在2021年发布《锂电池2021-2030年国家蓝图》,并宣布拨款2.09亿美元支持相关技术研究;欧洲则推出了《电池2030规划》及《2030电池创新路线图》,并批准了欧洲固态电池投资专项计划,由欧盟多国共同出资32亿欧元用于发展固态电池。欧美多国政府拨款助力固态电池研发,科研机构及固态电池初创企业是主力,各大车企纷纷投资;日韩企业则是在保有独立研发团队的基础上,大多采用抱团研发的方式,车企、科研机构、电池和材料企业共同开发固态电池技术。

中国早在十年前已着手布局固态电池产业,多家电池厂商固态电池技术领先,越来越多的企业参与固态电池研究。受新能源车的旺盛需求拉动,中国政府也加大了对固态电池的前瞻性投入,加速布局。国内车企联合电池企业,新兴电动车制造商步伐较快,预计2023年电动汽车有望搭载固态电池。随着政策扶持、车企布局、资本涌入,固态电池产业化进程不断加速,行业必将进入高增长期。

03固态电池产业化提速,新玩家如何前瞻性布局?

全球范围内都在积极推进固态电池的研发和产业化,固态电池前景广阔。随着固态电池技术成熟,将加速其在动力电池和储能电池市场渗透,预计2030年全球固态电池市场将有千亿空间。我们认为,对于希望在固态电池产业链上抢占市场的企业而言,技术创新、产品矩阵、产业链布局与商业化应用缺一不可。

1) 领先的技术创新

固态电池是技术创新驱动的新型电池路线,在材料和结构层面均有对于现有传统液态电池体系的创新颠覆,并且目前仍然存在固-固界面问题等限制产业化的难点。我们认为,优秀的固态电池公司必须具备顶尖科研人才储备,领先行业攻克核心难点,并通过专利布局,构建坚实技术壁垒。

2) 清晰的产品布局

固态电池具备高安全性、高能量密度、高功率、宽工作温区、长循环寿命等多维度的性能优势,不同细分市场所看重的性能指标有所差异,并且各性能之间可能存在此消彼长的关系,需要进行平衡设计。我们认为,如何基于目标市场需求分析,布局清晰的梯度化产品矩阵,将是固态电池企业在未来推进商业化时的核心竞争力。

3) 稳定的产业链布局

当前固态电池规模化应用的难点之一在于产业链不成熟带来的成本高企,核心原材料和设备与液态电池存在差异,尚未大规模生产导致供应不确定性。我们认为,固态电池公司应当与原材料厂商、设备厂商等产业方建立深度合作关系,通过成立合资公司或签订战略合作协议的方式,锁定关键材料和核心设备,并具有定制化合作开发的能力,保障在持续扩产过程中的供应链安全和稳定。

4) 明确的商业化应用

现阶段固态电池仍在市场导入期,距离大规模商业化仍需数年时间,且在获得确定订单之前需经历较为漫长的送样测试流程。我们认为,固态电池企业在推进批量生产的同时,需要积极绑定下游新能源汽车企业和储能企业,验证自身产品与下游需求的匹配性,并锁定订单资源,代表性客户的订单达成也有利于形成市场口碑,加速商业化进程抢占市场份额。