锂电池“终结者”再突破!固态电池抢占制高点
发布时间:2019-11-29 13:49:54
关键词:动力电池锂电池

据11月27日报道,澳大利亚迪肯大学的研究人员表示,他们已经设法使用常见的工业聚合物来制造固体电解质,有望使锂离子电池的能量密度增加一倍,这种固态锂电池在过热时不会爆炸或着火。目前团队已经在纽扣电池中进行了测试,他们将寻找商业伙伴将这些固态电池推向市场。


这项新技术使用了一种弱结合到锂离子的固态聚合物材料,来代替通常用作当前电池单元电解质的挥发性液体溶剂。


据该团队陈芳芳博士在新闻稿中表示:“如果行业采用我们的技术,我可以预见道这样一个未来,例如,可以将电池相关设备安全地装在飞机行李中,或者电动汽车不会像现在这样对乘员或急救人员构成火灾危险。”


近年来,动力电池作为电动汽车的“心脏”一直备受关注。随着电池技术的快速发展,当前全球多家巨无霸车企对于固态电池都在投入重金竞相研发。固态电池与传统锂电池相比具有更高的能量密度,同时拥有更大的功率和更长的使用时间,是下一代锂电池发展的大趋势。


随着全球知名企业和研究机构的研发布局,预计2030年全球固态电池需求有望接近500GWh。参考SNEresearch的动力电池出货量预测,若固态电池能在2022年实现市场化并逐步提升渗透,到2025年固态电池在动力电池中的市场空间大约能达到60亿元左右。


从早期的铅酸电池,到丰田等日企主打的镍氢电池,再到2008年特斯拉roaster使用的锂离子电池,传统液态锂离子电池已统治动力电池市场十年。未来,能量与安全需求与传统锂电技术的矛盾将越来越凸显。


再从Fisker宣称开发充电1分钟行驶500公里的固态电池,到宝马已与SolidPower进行合作开发下一代电动车用固态电池,再到丰田又宣称将在2025年前实现全固态电池的实用化。作为下一代电池技术的代表,固态电池日益引发市场高度关注,引发全球范围的企业进行提前卡位。


固态电池是采用固态电解质的锂离子电池。固态面临的挑战主要包括降低成本,提高固体电解质的安全性,以及在充电和放电时保持电极和电解质之间的接触。


与传统锂电池相比,全固态电池最突出的优点是安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性,避免了传统锂离子电池中的电解液泄露、电极短路等现象,降低了电池组对于温度的敏感性,根除安全隐患。


相比于传统的锂电池来讲,由于固态电解质取代了传统锂离子电池中可能燃爆的有机电解液,这样解决了高能量密度和高安全性能两大难题,在相同能量下用固态电解质取代电解液的电池,更薄且体积更小。


许多问题很难在锂离子电池现有技术的参数范围内得到解决:(1)安全性和可靠性;(2)能量密度;(3)运行环境温度;(4)充电速度。固态电池作为下一代很有前途的技术,很有可能解决这些问题,而且其性能的提高也很明显。


目前全固态电池尚处在研发早期,研发方向主要包括聚合物、氧化物和硫化物三大固态电解质的典型技术开发方向。三大体系各有优势,其中聚合物电解质属于有机电解质,氧化物与硫化物属于无机陶瓷电解质。


其中,聚合物固态锂金属电池的开发主要以Bolloré、宁德时代和东北师大为代表;氧化物锂金属固态电池的开发主要以美国橡树岭国家实验室,QuantumScape,Sakti3以及中科院等为代表;硫化物固态电池的开发主要以丰田、三星、本田以及宁德时代为代表,其中以丰田技术最为领先。


对于全固态锂电池来说,当前阶段最大的需求来自于汽车产业,随着新能源汽车的铺开提上日程,各大车企纷纷布局全固态锂电池,期待3-5年后开始全固态锂电池的商业化生产。除此之外,消费电子、智能家居和航天航空等领域也存在一定的全固态锂电池需求。


全固态电池有望成为下一代商业化动力电池,募投项目中下一代电池研发方向包括氢燃料电池、锂空气电池和全固态电池,其中全固态电池最有望成为下一代商业化动力电池。


目前全球供应商、材料企业、电池企业都在大力推进固态电池的研发。


纵览全球固态电池企业,有初创公司,也不乏国际厂商,企业之间独踞山头信仰不同的电解质体系,未出现技术流动或融合的态势。


欧美企业偏好氧化物与聚合物体系,而日韩企业则更多致力于解决硫化物体系的产业化难题,其中以丰田、三星等巨头为代表。


固态电池领域的第一集团军,日本拥有固态电池专利916件,占比接近一半,领先优势明显;美国和中国分别以398件和362件的专利数位居第二、第三。


在全固态电池专利方面,日本具有明显的优势,丰田拥有固态电池专利252件,数量远超其他车企与电池企业。


丰田汽车2010年,推出硫化物固态电池;2014年,原型固态电池能量密度已达400Wh/kg;2018年,日本投资100亿日元,丰田、本田、日产、松下,京都大学、日本理化学研究所等参与研究,计划2022年掌握全固态电池技术;2019年,与松下合资,为550多万辆电动汽车供电池,丰田51%股份。


固态锂电池前20位专利申请人中,日本企业占11家,其中丰田申请量最多,达1709件,是第二位松下的2.2倍。排名前10均为日韩企业,其中日本8家,韩国2家。


日本的丰田汽车、本田研发、日产汽车和雅马哈汽车甚至组织成立LIBTEC,计划共同开发固态电池的基础技术。LIBTEC固态电池的开发目标包括:体积能量密度达600Wh/L,成本达600元/kWh,快速充电时间为10分钟。


丰田汽车和松下的联盟(丰田有近300名工程师参与研发固态电池),该联盟表示将在五年内将固态电池商业化。丰田和NEDO所制定的全固态电池的商业化普及方案,首先使用现有LIB的正负极材料开发全固态电池(第一代电芯)。


之后再使用新的正负极材料以期进一步提高能量密度(下一代电芯),预计2022年丰田汽车生产固态电动汽车的样车,2025年在部分车型中使用固态电池。2030年实现大规模量产应用,能量密度可达500Wh/kg。


随着固态电池技术方面取得新突破,固态电池的落地进程将再进一步。


从海外各家企业实验与中试产品来看,固态电池能量密度优势已开始凸显,明显超过现有锂电水平。


在我国,固态锂电的基础研究起步较早,在“六五”和“七五”期间,中科院就将固态锂电和快离子导体列为重点课题,此外,北京大学、中国电子科技集团天津18所等院所也立项进行了固态锂电电解质的研究,并在此领域取得了不错的进展。


当前国内已有上市公司布局固态电池相关业务,对于下一代电池技术研发和产业化应用,已逐渐进入二级市场视野。国内在进行固态锂电开发的企业包括:宁德时代、赣锋锂业、珈伟股份、江苏清陶能源、台湾辉能、中航锂电、比亚迪、万向、威马汽车等。


未来,随着产业投入逐渐加大,产品性能提升的步伐也望加速。


回溯传统锂电成本曲线,14年时单位成本接近3元/Wh,而随着产能迅速扩张,目前成本已降至1.2元Wh/kg左右。


固态电池作为一项颠覆性技术,技术一旦突围成功,行业成长曲线料将获指数级增长,工业化大批量生产将使成本问题迎刃而解,传统锂电的降本逻辑有望得到复制。


展望发展趋势,固态电池阶段发展之路已经明晰。结构上,现阶段电池体系包含部分液态电解质以取长补短。而技术发展过程中将逐渐减少液体的使用,从半固态电池到准固态电池,最终迈向无液体的全固态电池。


应用领域上,有望率先发挥安全与柔性优势,应用于对成本敏感度较小的微电池领域,如RFID、植入式医疗设备、无线传感器等;技术进步后,再逐渐向高端消费电池渗透;随着产品的成熟,最终大规模踏入电动车与储能市场,从高端品牌往下渗透,实现下游需求的全面爆发。


锂电产业链是一个可以看至少10年的行业,而新技术的开发与崛起也将不断强化行业的估值与前景。


在行业看好与多方布局之下,固态电池产业有望获得超速发展。固态电池承载着电池安全与能量全面提升的光荣使命,未来有望成为行业的新爆发点与关键性技术保障,政策在逐渐褪去,市场正回归理性,当新能源汽车回归商品属性时,还有技术在前方保驾护航。


稿件来源: 乐晴智库精选
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