固態(tài)電池新賽道

2023-12-11 866次

什么是固態(tài)電池

固態(tài)電池是一種新型的電池技術(shù)，它將液態(tài)或凝膠態(tài)的電解質(zhì)替換為固態(tài)電解質(zhì)。被認(rèn)為是下一代高性能鋰電池的候選技術(shù)。與傳統(tǒng)的液態(tài)電池相比，固態(tài)電池具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

高能量密度：

其能量密度有望突破500Wh/kg，是液態(tài)鋰離子電池的兩倍左右。可以儲(chǔ)存更多的能量，同時(shí)更輕便、更薄，更適合于電子設(shè)備等輕便便攜設(shè)備的使用。

安全性能更高：

固態(tài)電解質(zhì)能夠防止電池內(nèi)部短路和滲漏等問題，大大提高了電池的安全性能，減少了電池爆炸等意外情況的發(fā)生。

更長(zhǎng)的壽命：

由于固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性更高，提升了鋰電池的循環(huán)性，固態(tài)電池具有更長(zhǎng)的壽命，能夠減少電池更換的頻率，降低使用成本。

從長(zhǎng)期來看，固態(tài)電池的主要應(yīng)用場(chǎng)景與液態(tài)電池重疊，即消費(fèi)電子、新能源汽車、儲(chǔ)能。有望優(yōu)先從高端應(yīng)用市場(chǎng)開始商業(yè)化，并逐步向動(dòng)力及消費(fèi)電池領(lǐng)域擴(kuò)展。基于固態(tài)電池優(yōu)異性能，未來行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅A(yù)測(cè)到2030年，中國(guó)固態(tài)電池出貨量達(dá)251GWh，全球固態(tài)電池出貨量將達(dá)500GWh。

產(chǎn)業(yè)化布局

固態(tài)電池目前處于快速發(fā)展階段，成為未來高性能電池技術(shù)的主流選擇。據(jù)IEA初步預(yù)計(jì)，到2025年，固態(tài)電池技術(shù)將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并開始逐漸向下一代鋰電池(鋰-金屬/鋰-空氣/鋰硫)邁進(jìn)。全球范圍內(nèi)都在積極推進(jìn)固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，固態(tài)電池前景廣闊。隨著固態(tài)電池技術(shù)成熟以及國(guó)家政策的支持和鼓勵(lì)，將加速其在動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池市場(chǎng)滲透，預(yù)計(jì)2030年全球固態(tài)電池市場(chǎng)將有千億空間。

1.發(fā)展現(xiàn)狀

固態(tài)電池是未來電池產(chǎn)業(yè)的核心。在產(chǎn)品安全性、能量密度和循環(huán)壽命性能方面，固態(tài)電池有潛力對(duì)電池性能產(chǎn)生質(zhì)的突破,但固態(tài)電池在廣泛應(yīng)用時(shí)仍面臨著多個(gè)挑戰(zhàn)，包括固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率低、固-固界面阻抗大以及全固態(tài)電解質(zhì)成本高等問題，這些問題限制了固態(tài)電池的廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，固態(tài)電池的成本高于傳統(tǒng)鋰離子電池，并且產(chǎn)品良率低。盡管固-固界面修飾和改性技術(shù)已經(jīng)被提出，但仍需進(jìn)一步開發(fā)全固態(tài)電池的固-固界面表征技術(shù)，以更有效地解決這些問題。

其次為了解決固態(tài)電池的成本和供應(yīng)鏈體系問題，需要探索材料性能提升、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化和電芯結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方式。未來可以通過材料性能提升、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化和電芯結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方式解決這些問題，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)和應(yīng)用后，成本可得到一定程度地降低。

2.政策支持

政策的推動(dòng)是促進(jìn)固態(tài)電池發(fā)展的重要因素。政策支持可以為固態(tài)電池提供資金、技術(shù)和市場(chǎng)等方面的保障，從而協(xié)同創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈并提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。2023年1月發(fā)布的《工業(yè)和信息化部等六部門關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》明確提出了加快固態(tài)電池的研發(fā)和應(yīng)用，相關(guān)政策的出臺(tái)將會(huì)對(duì)固態(tài)電池的發(fā)展產(chǎn)生積極影響，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

3.技術(shù)研發(fā)進(jìn)度

固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程得到了大批科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)的支持。產(chǎn)學(xué)研結(jié)合是推動(dòng)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的重要途徑。在國(guó)內(nèi)鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈上，許多優(yōu)秀企業(yè)開展自主研發(fā)或與科研團(tuán)隊(duì)合作，如許曉雄與贛鋒鋰業(yè)合作、張濤與上海洗霸合作等。

尤其是北京擁有中科院物理所、中科院化學(xué)所等科研實(shí)力強(qiáng)大的機(jī)構(gòu)，為固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)提供了有力支持。中國(guó)科學(xué)院物理研究所最近研發(fā)出的固態(tài)鋰離子電池具有每千克360瓦時(shí)的能量密度和800次以上的循環(huán)性能。

4.各企業(yè)產(chǎn)能情況

固態(tài)電池是當(dāng)今電池技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)固態(tài)電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。多家企業(yè)已宣布自己的固態(tài)電池產(chǎn)品研發(fā)計(jì)劃，并在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)能擴(kuò)張等方面投入大量努力。目前，國(guó)內(nèi)固態(tài)電池行業(yè)的主要玩家包括汽車企業(yè)和動(dòng)力電池企業(yè)兩類。其中，輝能科技、清陶新能源、衛(wèi)藍(lán)新能源、贛鋒鋰業(yè)和國(guó)軒高科等企業(yè)是固態(tài)電池領(lǐng)域的代表性企業(yè)。

清陶能源發(fā)展股份有限公司作為全球固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)頭羊，在全國(guó)范圍內(nèi)率先建成了“新能源材料—固態(tài)鋰電池—自動(dòng)化裝備—鋰電池資源綜合利用—科研成果孵化—產(chǎn)業(yè)投資”完善的固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈。2月14日，在上海舉行的“投資四川·成都都市圈全球投資推介會(huì)”上，總投資100億元的15GWh清陶能源動(dòng)力固態(tài)電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)基地正式簽約落地成都市郫都區(qū)。

產(chǎn)業(yè)核心環(huán)節(jié)

全固態(tài)電池或?qū)?duì)傳統(tǒng)液態(tài)電池四大材料體系造成較大的沖擊。正極材料未來更可能使用高比能材料；負(fù)極材料中金屬鋰有望應(yīng)用；電解質(zhì)體系中液態(tài)溶劑將被完全取代；隔膜將被逐步替代。

負(fù)極活性材料：金屬鋰、硅、石墨和鈦酸鋰都有潛力作為固態(tài)電池的陽極材料。盡管金屬鋰陽極存在安全性和可重復(fù)性等問題，市場(chǎng)潛力仍不確定，硅陽極則被認(rèn)為有很高的潛力。由于固態(tài)電解質(zhì)的高穩(wěn)定性和防止鋰枝晶形成的特性，金屬鋰陽極的高能量密度有望得到更廣泛的應(yīng)用。

正極活性材料:主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元鋰和磷酸鐵鋰（LFP）等液態(tài)電池材料。然而，根據(jù)中國(guó)無機(jī)鹽協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，正極材料在商業(yè)化鋰電池的成本構(gòu)成中占比高達(dá)45％。為了降低成本和提高能量密度，研發(fā)磷酸錳鐵鋰、高鎳三元和富鋰錳基等正極材料將成為未來的主要方向。

隔膜：隔膜的功能是隔絕鋰電池正負(fù)極材料，防止電池短路。固體電解質(zhì)具備電子絕緣性和離子導(dǎo)電性，可以逐步替代現(xiàn)有體系下的隔膜。

固態(tài)電解質(zhì)是全固態(tài)鋰電池的核心部件，將取代液態(tài)電解質(zhì)，它決定電池的離子傳導(dǎo)性能、界面穩(wěn)定性和工藝可行性。固態(tài)電解質(zhì)主要分為聚合物、氧化物和硫化物三類，其中氧化物體系研究進(jìn)展最快、成果最為豐碩。硫化物體系緊隨其后，而高能量聚合物體系目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)

由有機(jī)聚合物基體和鋰鹽構(gòu)成的，它具有質(zhì)量輕、加工性好、界面阻抗低等特點(diǎn)，但其離子電導(dǎo)率較低，需要通過摻雜或復(fù)合等方式進(jìn)行改善。

氧化物固態(tài)電解質(zhì)

由無機(jī)氧化物組成的，它具有高溫下的高離子電導(dǎo)率、高熱穩(wěn)定性和高電壓窗口等特點(diǎn)，但其剛性大、脆性高、與鋰金屬不相容等缺點(diǎn)限制了其在全固態(tài)鋰金屬電池中的應(yīng)用。

硫化物固態(tài)電解質(zhì)

由無機(jī)硫化物組成的，它具有室溫下的高離子電導(dǎo)率、低熔點(diǎn)和與鋰金屬相容等特點(diǎn)，但其化學(xué)穩(wěn)定性差、易受水和空氣影響而降解等缺點(diǎn)增加了其生產(chǎn)和封裝的難度。

在電解質(zhì)具體性能方面，氧化物電解質(zhì)表現(xiàn)較為均衡，而其他類型的電解質(zhì)則存在性能短板。氧化物電解質(zhì)在還原、氧化和熱穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出色，但硫化物電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性較差。聚合物電解質(zhì)需要進(jìn)一步提高鋰離子遷移數(shù)和氧化穩(wěn)定性等性能指標(biāo)。

不同固態(tài)電解質(zhì)性能雷達(dá)圖

固態(tài)電池是未來電池領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，其高能量密度、高安全性、長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注和研究。目前固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程已經(jīng)逐步加速，同時(shí)固態(tài)電解質(zhì)、負(fù)極活性材料等關(guān)鍵技術(shù)也在不斷突破。未來固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)將面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)和機(jī)遇，加快技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)新能源領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

上一篇：工業(yè)級(jí)無人機(jī)市場(chǎng)需求旺盛，2024年將達(dá)3208億
下一篇：固態(tài)電池上車蔚來