随着现有液态锂离子电池能量密度接近理论极限,固态电池作为高能量密度、高安全性的新一代电池技术备受关注。在政府支持和市场需求的推动下,固态电池产业化进程加快。
北京纯锂新能源发展科技有限公司进行研发产品生产以及国内首条全固态锂电池量产线投产,太蓝新能源的无隔膜半固态电池规模化制备方法技术经鉴定达到提高国际社会先进文化水平,宁德时代特征表示将在2027年小批量生产全固态电池……电池制造一个企业加紧研发步伐。
新能源汽车制造商也在加大努力,奇瑞(Chery)宣布,其全固态电池的续航里程将很快达到1500公里,上汽集团(SAIC Motor Corp)计划在2026年大规模生产全固态电池,到2027年也将大规模生产新型全固态电池汽车,而大众(Volkswagen)、宝马(BMW)和丰田(Toyota)等国际汽车制造商也在积极开发固态电池,预计将在2025年至2027年间大规模生产。
产业链发展企业摩拳擦掌,固态电池成为了中国新能源汽车行业的风口。
比拼综合性能
与占据动力电池主要市场的锂电池相比,固态电池的优势非常明显。
传统的液态锂电池主要由四个关键元件组成: 正极、负极、电解质和隔膜。锂电池一旦受到水、高温等条件的冲击,就可能引起燃烧、爆炸。
固态电池以固态电解质取代传统液态锂电池的液态电解质和隔膜,并采用全新的正负极材料,从根本上解决了提高液态锂离子电池能量密度和安全性的瓶颈。
一般来说,固态电池可以在较小的体积内具有安全性高、能量密度高、充放电速度快、循环寿命长、对温度适应性强等优点。在新能源汽车、航空航天、储能、电子产品等领域具有很高的应用价值。
据了解,根据这些电解质液含量进行不同,电池系统可分为传统液态、半固态、准固态和全固态四大类。其中半固态、准固态和全固态化学电池统称为一个固态金属电池。电解液成分含量占电池10%左右的叫半固态,1%左右的叫准固态,0%就是一种全固态。
全固态电池具有高能量密度、远距离、低温和安全等优点,被视为未来动力电池市场的破坏性创新,也是下一代电池的首选之一。固体电池完全不使用液体或凝胶电解质,而是使用固体电解质作为离子导电介质,同时也为传统液体电池实现更高的能量密度和更长的循环寿命提供了可能。
《真锂研究》副主编于小龙告诉中国城市报记者,目前固态电池根据电解液的不同,主要分为聚合物、氧化物、硫化物三种主要技术路线,以及卤化物等路线。具体来说,聚合物电解质具有安全性高、重量轻、容量大的优点,但难以大幅提高离子电导率;氧化物电解质具有良好的空气稳定性,但其离子导电性不如硫化物电解质。硫化物电解质具有较高的离子电导率,良好的高温性能和安全性能,但化学稳定性相对较差;卤化物技术具有耐电压高、能量密度高、运行稳定等优点,但离子电导率低、成本高、电池倍率性能差。
“一般来说,每种技术都有其优缺点,最终的战斗是性能之间的较量。目前,各项技术路线都在不断推进。尤其值得注意的是,硫化物路线更接近真正的全固态电池,并被视为固态电池的一个重要发展方向。
它仍然是一块“硬骨头”
虽然全固态电池在理论上具有很多优势,但是在实现商品化的过程中仍然存在许多障碍,如固态电解质成本高、制备工艺复杂、界面电阻大等。
中国科学院院士、清华大学教授、新能源动力系统与交通电气化专家高认为,从技术研发节点看,2025-2030年,全固态电池产业将重点攻关固态电解质;2030-2035年,重点攻关高容量复合负极;2035-2040年,重点攻关高容量复合正极。
今年9月,电池发展龙头公司企业宁德经济时代董事长曾毓群在2024世界第一动力汽车电池大会上透露,全固态电池管理行业进行研发能力水平还不高,如果以1—9分为固态电池的技术和制造成熟度打分,宁德时代要求自己的研发人员也就没有处于TRL(技术研究成熟度)4分的水平,即技术已经定型的阶段,计划到2027年提升至7—8分的水平,届时可能可以实现小批量产品生产。
目前,以低空经济为先导的新航道为固态电池的发展开辟了空间。特别是电动垂直起降飞机(EVTOL-RRB) ,需要更高的能量密度、安全性、快速充电和更长的电池寿命,固态电池成为其更好的动力源。
在新能源汽车方面,无论是车企还是消费者,都在期待能量密度更高的全固态电池的到来,以解决“里程焦虑”、安全性低、充电效率低、使用寿命短等痛点。中国汽车动力电池产业创新联盟发布的数据显示,今年上半年,半固态电池的装载量达到2.2GWh,市场已初具规模。
根据国信证券预测,2025年全球固态电池需求为17.3兆瓦时,到2030年预计将超过200兆瓦时,2025-2030年复合增长率可能达到65.8% 。
“用全固态电池的理论预期来讲述半固态电池的资本故事,有点像在酒里‘掺水’。半固态电池即使量产,也还远远不能支撑大规模的商业应用。没有利润支撑预期,更多的就剩下炒作。“于小龙说,在行业需求的引导下,许多企业偷换概念进行营销。实际上,国内已经达到量产规模的固态电池都是“半固态电池”。由于成本高、技术难度大,全固态电池的研发和商业化仍然是一块“硬骨头”。
用市场检验技术
2020年10月,在工业和信息化部第一处的指导下,中国汽车工程研究院编制了节能和新能源汽车2.0技术路线,规定到2025年和2030年,动力电池单体的能量密度将分别达到400瓦时/千克和500瓦时/千克。目前,液态锂电池的能量密度很难达到300瓦时/千克以上。因此,高能量密度的固态电池已经成为发展的焦点。
固态电池是电池领域新品质生产力的代表。近年来,固态电池的研发得到了国家政策和地方政府的大力支持。今年6月,工信部发布的《2024年汽车标准化工作要点》提出,支持围绕固态电池等新领域的新技术、新业态、新模式创新发展。
据了解,今年我国发展计划经济投入约60亿元用于全固态电池研发,鼓励中小企业产品研发全固态电池管理相关信息技术,包括宁德时代、比亚迪、一汽、上汽、卫蓝新能源和吉利共6家企业可以获得国家政府会计基础研发资金支持。
全固态电池的概念燃起了熊熊大火,资本市场蜂拥而至。余表示,这对固态电池行业来说喜忧参半。
「好消息是股市暴涨,更多资金涌向行业,有利于技术研发;令人担忧的是,一些良莠不齐的企业一哄而上,越往上倒越惨。毕竟目前的固态电池技术还没有发展到市场预期的状态。”于小龙坦言,电池行业和整车企业都需要用市场来检验技术。发展路线是率先量产半固态电池,逐渐减少电解液用量直至不用,最后过渡到准固态再到全固态。
截至5月,国家知识产权局的关键技术专利申请固态电池为20798项,其中中国专利申请20237640项,占36.7% 。过去五年,我国的全球固态电池专利申请年均增长率为20.8% ,居世界首位。
高表示,固态电池的产业化不仅关系到技术的突破,还关系到国家在全球新能源市场的竞争力。固态电池将是对现有电池技术的进一步优化,而不是简单的替代。希望通过持续的技术创新和政策支持,确保中国在该领域的领先地位。