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市场观察

固态电池“上车”又有新进展 材料体系创新有望加速

佚名2023-02-17
国内固态电池正加速“上车”。继首批搭载赣锋锂电固态电池的东风E70电动车在1月交付后,赣锋锂电再次宣布,搭载其三元固液混合锂离子电池的纯电动SUV赛力斯SERES5规划于2023年上市。目前,重庆赣锋20GWh新型锂电池科技产业园项目正在建设中,规划建成国内最大的固态电池生产基地。

国内固态电池正加速“上车”。继首批搭载赣锋锂电固态电池的东风E70电动车在1月交付后,赣锋锂电再次宣布,搭载其三元固液混合锂离子电池的纯电动SUV赛力斯SERES5规划于2023年上市。目前,重庆赣锋20GWh新型锂电池科技产业园项目正在建设中,规划建成国内最大的固态电池生产基地。

据了解,赛力斯SERES5预计于3月开始交付,截至今年1月份已获得订单2万台。在赛力斯SERES5的前身——SF5的发布会上,华为消费者业务CEO余承东为其“背书”,由华为为该车提供动力系统、智能互联系统和音响系统。

固态电池是指使用固体电解质替代传统锂离子电池的电解液及隔膜,与传统液态锂电池相比,其安全性能优异、热稳定性好,电池能量密度可达400Wh/kg以上,续航里程超1000km,足以打破新能源车的“里程焦虑”。

赣锋锂电的三元固液混合电池属于该公司开发的第一代固态电池,实际上是半固态电池,即部分材料依然延续液态锂电池的“配方”。据赣锋锂电介绍,该电池能量密度可达260Wh/kg。

目前,全固态电池还有离子电导率低导致性能变差、成本高昂等缺点有待解决,而半固态电池由于高安全性、长寿命与良好的经济性,成为液态电池向全固态电池过渡的路线。

业内多家厂商都采取了该方案。车企中,2022年蔚来发布ET7、东风发布E70、岚图发布追风等搭载半固态电池的车型,上汽智己、广汽埃安、高合等也都在积极与固态电池生产商合作,共同推进半固态电池的上车进程;主流电池厂中,宁德时代、中创新航、蜂巢能源、国轩高科、孚能科技、清陶能源等均有相关产品,且多公司预计其产品将在2023年批量交付。

从技术角度看,半固态电池制造工艺流程和装备与目前锂电池通用程度高,意味着半固态对产业链冲击有限。比如半固态电池仍需隔膜、电解液。

也有汽车行业分析师指出,虽然半固态电池相对于固态电池是过渡性技术,但是半固态电解质中的电解液含量已经大幅减少,活性减弱,所以可以适配性能更强的材料体系。

从公司角度看,目前国内的当升科技、容百科技、恩捷股份、天赐材料、江苏国泰、杉杉股份、格林美等材料企业都在加快相关材料研发生产。另外,山东章鼓增资的喀什安德已经完成半固态、固态电解质膜前期验证性开发;翔丰华在固态电池的新型硅碳负极材料领域已展开布

同时,锂镧锆氧(LLZO)、磷酸钛铝锂(LATP)、硫化物固态电解质、新型锂盐等增量材料供应链也有望迎来机遇,受益公司包括上游的锆等小金属供应商东方锆业、三祥新材等,以及原位固态化锂盐供应商瑞泰新材等。

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什么是固态电池?

固态电池与目前主流的传统锂离子电池最大的不同在于电解质。固态电池则是使用固体电解质,替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。而传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。正负极材料决定了电池的容量,电解液及隔膜作为传输锂离子的介质。这个就是本质的区别。

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固态电解质分为哪几种?

固态电解质主要分为两大类,聚合物电解质和无机电解质;而从电池材料方面来区分,可分为三大体系--即聚合物、氧化物和硫化物体系;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。聚合物电解质可包括聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等材料。

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行业为何需要固态电池?

固态电池之所以被认为是下一代电池的方向之一,是因为其在理论上完美避开了液态电池的所有痛点。

首先,固态电池能量密度更高。科学界普遍认为,目前液态锂电池能量密度上限区间为300-350Wh/kg,难以满足350Wh/kg以上的高能量密度发展目标,而固态电池能量密度有望达到500Wh/kg。

其次,固态电池的安全性更高。新能源汽车自燃时常见诸报端,至今仍然是影响消费者购买新能源汽车的一个因素。动力电池的安全性即与液态电解质息息相关,而固态电池采用固态电解质,其具有绝缘性好、不易燃、不挥发的特点,可显著提升安全性。

此外,固态电池的适用温度范围更广,循环使用寿命更长。去年9月,哈佛大学团队开发了一种新型固态锂金属电池,在实验室中,该团队的电池原型在生命周期内可循环超过1万次,是普通液态电池循环次数的数倍之多。

由于固态电池兼具高安全和高能量密,可以很好的解决当前液态体系的痛点问题,因此成为行业广泛认可的下一代电池技术。

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固态电池产业链


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上游主要包括矿产资源、材料及锂电设备供应商。矿产资源主要包括镍、钴、锰、锂、石墨、硅等,其中,锂矿是动力电池最为重要的资源,行业整体毛利率区间在20%-35%。固态电池区分于传统电池的核心材料则是固态电解质,当前,中国本土企业正在布局固态电解质技术的企业包括宁德时代、蜂巢能源、赣锋锂业、卫蓝新能源、清陶能源等;海外企业包括ldemitsu、LG化学、Solid Power、QuantumScape、Amprius等,其技术实力在中国本土企业之上。固态电解质尚处于研发生产阶段,还未进行大规模商业化应用。锂电设备方面,目前行业已经基本实现国产替代,技术成熟度较高,毛利率约在30%-35%左右。

中游目前,新能源汽车动力电池领域的头部玩家以中、日、韩企业为主,欧美国家市场份额占比相对较少;然而,在固态电池领域,欧美、日韩企业已经抢先中国布局,不少具备实力的固态电池初创企业正在不断加大其研发力度,如美国的Solid Power、SolidEnergy System、QuantumScape、Amprius、SEEO等;德国的博世、大众、宝马等;日本的丰田、日立、松下、索尼、TDK等;韩国的三星、LG、SKI等;中国本土企业包括宁德时代清陶能源、赣锋锂业、辉能科技等。

下游为各大新能源汽车整车制造商,乘用车类包括比亚迪、特斯拉、北汽新能源、奇瑞、小鹏、蔚来等,商用车类包括宇通客车、中通客车、江淮汽车、江铃汽车、金龙汽车等。新能源整车制造厂具备极强的议价能力,乘用车类整车企业毛利率一般高于商用车类整车企业,其平均毛利率水平约为20%,商用车类整车企业平均毛利率仅在10-15%。

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国内企业布局

宁德时代

2016年,宁德时代正式宣布在硫化物固态电池上的研发路径。

目前容量为325mAh的聚合物锂金属固态电池能量密度达300Wh/kg,可实现300周循环以容量保持率82%。全固态电池还在开发中,预计2030年后实现商品化。

国轩高科

2017年,着手研发固态电池及固态电解质。

2018年2月,根据与国际一线整车品牌合作的产品要求,公司正在美国和日本分别开发下一代动力电池生产技术工艺与生产设备,相关产品将使用半固态电池技术。对于包括固态电解质在内的上游关键原材料的研发与产业化进度公司方面也将密切关注。2018年3月,宣布半固态电池技术目前已处于实验室向中试转换阶段。

2019年,推出半固态电池的试生产线。

2022年5月,发布半固态电池,单体能量密度达360Wh/kg,配套电池包达160KWh,续航里程超1000km。预计23年批量交付

蜂巢能源

2022年,推出国内首批20Ah级硫系全固态原型电芯。

辉能科技

2013年,实现了固态锂电池的商业化量产,早期应用于消费电子领域,近年来应用于新能源汽车领域。

2014年,与手机厂商HTC合作生产了一款采用了固态电池电源,给手机充电的手机保护皮套。

2017年,建成了40MWh的中试线,并实现自动化的卷式生产。

2019年,发布MultiAxisBiPolar+(MAB)多轴双极封装技术的车用固态电池包。在相同的装车容量下,电池包体积只比传统电池包减小50%,重量减少30%,在模组层面,重量成组效率高达87%,电池包重量成组效率高达80%。

2019年,与蔚来合作,为其定制生产“MAB”固态电池包。与爱驰、天际新能源汽车主机厂签署战略合作协议,并在2020年D轮融资后与一汽集团加强战略合作。

2020年,完成1GWh固态电池产线试产。

2021年,建成2GWh固态电池生产示范线。

2022年,公开全球首条固态电池生产线。预计2023年将放量出货电动车应用。

2024年实现全固态电池量产。电池能量密度:质量能量密度达到383Wh/kg,体积能量密度为1025Wh/L,循环500次。固态电池已经克服掉锂枝晶和锂苔的问题,负极完全采用锂金属。

长春劲能科技集团

2018年1月,与加拿大魁北克水电集团签署中加全固态锂电池技术合作协议,引进“磷酸亚铁全固态锂电池”,比能量密度达250Wh/kg,循环寿命2000次。未来将与加拿大合作推出350Wh/kg三元全固态锂电池。

万向集团旗下A123Systems

2017年9月,投资美国SolidPower公司。

2018年2月,万向参投的SolidPower确认与宝马合作,双方将共同研发新一代电动车固态电池技术。2018年2月,投资美国IonicMaterials公司,该公司研发出的特殊聚合物电解质,可将新型固态电池性能提高到全新水平。

2019年6月,与IonicMaterials共同正式对外宣布,全固态电池研发取得里程碑式进展,并称“这种独特的方法使得全固态电池有望在2022年推向市场”。2019年,在英国建立了固态电池研发中心,计划2022-2024年实现电池量产。

2020年,和Karma汽车完成了合作签约仪式,为Karma电动汽车提供动力电池(含固态电池)。

卫蓝新能源

2016年,公司成立,依托中国科学院物理研究所,专注于下一代固态锂电池的研发与生产。

2020年,1GWh固态电池生产线建成投产。

2022年,投资100GWh固态锂电池项目。预计5年内半固态电池实现量产,5-10年固态电池实现量产。2022年4月27日与容百科技签订合作协议,向其采购固态锂电正极材料,同时双方合作开发高镍/超高镍三元正极材料。目前,北京卫蓝已经研发并掌握了固态电池技术领域的多项关键性技术,包括金属锂表面处理、原位形成SEI膜技术、固态电解质、锂离子快导体制备技术以及高电压电池集成技术、陶瓷膜优化技术和集流体解决方案。目前已有300Wh/kg混合固液锂离子电池。

2022年11月,卫蓝湖州基地第一颗固态动力电芯下线。

清陶新能源

国内较早开展全固态锂电池技术研发的团队之一,由清华大学南策文院士团队创办,在固态锂电池领域,公司申报的专利已近100项。

2018年11月,建成的全国首条固态锂电池产线正式投产,产能规模为0.1GWh,总投资1亿元,已经量产出第一批固态电池产品,目前可日产1万颗电芯,产品主要应用于特种电源、高端数码等领域。

2020年,宜春一期1GWh固态电池产线建成投产。2020年已装车电池能量密度为300Wh/kg。

2022年,10GWh固态电池产业化项目在昆山开工建设,预计2024年建成。

2022年7月18日与当升科技签订战略合作协议,在高容量富锂锰基正极材料、固态锂离子电池及其关键材料等领域加强交流与合作。

赣锋锂业

2017年,引进中科院宁波材料所的许晓雄团队,正式切入到固态电池板块。

2018年,固态电池的研发取得新突破,同年8月份正式启动2亿Wh固态锂电池中试生产线建设项目。2018年6月,公司第一代固态锂电池单体容量已达到10Ah,能量密度大于240Wh/kg,可实现1000次循环后容量保持率大于90%,同时,电池单体具备5C倍率的充放电能力,目前电池研制品已通过第三方机构安全检测。

2019年8月,发布2019年半年度报告,第一代固态锂电池研制品通过多项第三方安全测试和多家客户送样测试。

2019年11月,年产0.3GWh第一代固态锂电池研发中试生产线已建成试产。

2022年4月,2GWh的固态电池产线建成投产,规划的第一代固态电池产能在22年下半年逐步释放。

产品端,第一代混合固液电解质电池产品能量密度达235~280Wh/kg。第二代固态锂电池基于高镍三元正极、含金属锂负极材料,目前该产品能量密度超过350Wh/kg,循环寿命接近400次。

天齐锂业

2017年,年报披露公司香港全资子公司使用自有资金1250万美元投入了对固态电池企SolidEnergySystem的C轮优先股融资,投资后持股比例为11.72%。

2018年5月,开始布局固态电池,公司参股公司美国SolidEnergy主要开发和生产具有超高能量密度、超薄锂金属电池,开发电解液和负极材料。

中天科技

2015年,中科院青岛能源所与中天科技签约开发高性能全固态锂电池。

2016年,青岛能源所全固态锂电池通过深海测试,能量密度翻倍。

2018年7月,宣布与中科院等机构进行固态电池技术合作,根据双方签署协议,相关指标符合发展预期。

力神电池

2019年,宣布将聚焦固态电池研发。

2022年4月与当升科技签订合作协议,在超高镍正极材料、磷酸锰铁锂正极材料、高容量富锂锰基正极材料、固态锂离子电池及其关键材料、钠离子电池及其关键材料等领域展开合作研发。

中航锂电

目前,固态电池关键技术研究已有重要进展,已制造样品,未来在固态电池领域将加大研发投入。

卡耐新能源

与中科院、哈佛大学、日本佐贺大学等全球知名研究机构及院校深入合作,加速固态电池等前沿技术的研发,目前在固态电池开发已取得突破性进展。

鹏辉能源

目前,公司固态电池处于研发阶段,计划在未来2-3年内推出固态电池产品。

平煤国能锂电

2018年9月,公司启动全固态锂电池生产线项目,总投入50亿元,其中一期5亿元,于2018年9月开始启动一期项目;全部建成将达到10GWh的高安全性、高比能动力锂电池产能。

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国内车企布局

比亚迪

2016年,确定固态电池为未来发展方向的基调,尝试小规模使用,将在未来10年,最快5年内推出固态电池。

2017年,申请一种全固态锂离子电池正极复合材料及一种全固态锂离子电池的发明专利。

2018年1月,推进固态电池项目商用,并将固态电池作为下一步研发重点,积极推进相关产品的产业化研发应用。

2021年,公开硫系添加剂全固态电池专利。

蔚来汽车

2019年8月,蔚来与辉能科技签署战略合作协议,双方将共同打造采用辉能MAB固态电池包的样车,并围绕固态电池的生产应用展开进一步合作。

2021年,蔚来发布首款轿车产品ET7,将于使用150kWh电池包(固态电池),可实现360Wh/kg的能量密度。

北汽集团

2019年,投资清陶能源。

2020年,宣布首辆搭载固态电池系统的可行驶纯电动样车EX3成功下线。

2025年前上市的新车有望搭载400Wh/kg的固态电池。

长城汽车

计划在2025年在量产车上应用能量密度达350~500Wh/kg的固态电池。 

天际汽车

2019年初,展出了国内首台固态电池电动汽车ME7。

哪吒汽车

2019年,与清陶科技达成全面深度合作,共同推进固态电池的研发与应用,加快在新能源汽车上的商业化落地。

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全固态商用尚早,半固态可期

全固态电池的规模化量产尚需时间。一方面,全固态电池尚有技术难点有待突破,比如固态电解质的离子电导率远低于液态电解质,这使得电池内阻明显增大、电池循环性变差、倍率性能变差等;另一方面,高昂的成本也是制约全固态电池商业化的因素,目前液态锂电池的产业链非常成熟,可以用低廉的成本生产出性能较好的锂电池,而全固态电池的产业链还不够完善。

全固态电池量产面临的挑战有:

(1)无机固态电解质及原料尚未量产形成供应链,应用技术不成熟;

(2)聚合物电解质不能与高电压正极匹配,室温电导率低;

(3)全固态电池界面电阻较高,低温性能差;

(4)目前电芯设计解决不了循环过程体积变化的影响;测试需要较高外部压力;

(5)目前电极和电芯没有成熟的规模量产设备,还需要时间;

(6)全固态电池的BMS与系统集成方案不成熟

因此,半固态电池成为液态电池向全固态电池过渡的产品。通过在全固态电池内部添加部分电解液来改善界面做成半固态电池。与液态电池相比,半固态电池的材料体系变化较小,仍然会使用隔膜与液态电解液。通过减少电池内部液态电解质的含量可在一定程度上提升电池比能量和安全性,其制备方法大部分沿用传统锂离子电池工艺与装备技术。

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固态电池未来发展方向如何?

未来固态电池的技术发展和应用趋势将会是一个“梯次渗透”的过程。固态电池技术的核心在于电解质的革新,最终目标是实现电解质的全固态化;但随着电池能量密度需求的不断上升,技术难题也不断增大,而混合固液电池则可以作为全固态电池重要的过渡技术,在技术革新的过程中逐步减少对液态电解质的应用,从液态逐步实现到半固态、准固态,最终实现全固态的目标。

图:液态——半固态—准固态——全固态电池的发展路径

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固态电池技术的核心在于电解质的革新,最终目标是实现电解质的全固态化。但随着电池能量密度需求的不断上升,技术难题也不断增大,而混合固液电池则可以作为全固态电池重要的过渡技术,在技术革新的过程中逐步减少对液态电解质的应用,从液态逐步实现到半固态、准固态,最终实现全固态的目标。目前,半固态电池技术已经得到一定的实践与证明,但尚未进行大规模应用。预计未来3-5年,市场将会形成一套成熟的混合固液电池体系并能够开启规模化应用的阶段。

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