燃油车末日来了?固态电池轻松实现续航1000公里 多家厂商走到台前 产业链上还有哪些公司

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固态电池轻松续航1000公里,燃油车的末日来了吗?

2023年6月,北京卫蓝新能源科技有限公司(以下简称卫蓝新能源)宣布360Wh/kg锂电池电芯正式交付蔚来汽车;2024年3月25日,上汽旗下智己汽车披露,行业首个准900V超快充固态电池即将量产上车;4月2日,太蓝新能源也宣布,在“车规级全固态锂电池”的研发方面取得重大进展,成功制备出实测能量密度达到720Wh/kg的超高能量密度体型化全固态锂金属电池。

据蔚来创始人李斌实测,150kWh(即150度电)电池包行驶距离达1044公里。据悉,该电池包的电芯能量密度为360Wh/kg,电池包能量密度为260Wh/kg。

若720Wh/kg能量密度电芯真的量产,或许2000公里续航也不是梦。不过,目前固态电池需要使用多种新型材料,底层材料学问题尚待解决。此外,还存在生产工艺不成熟、产业链配套需降低成本等问题。

固态电池概念受热捧

实际上,目前各大厂商推出的固态电池,大多为固态、液态混合电池,或称半固态电池。尽管仍未达到全固态,但半固态电池的推出仍然意义非凡。

此前,动力电池厂商技术提升主要体现在结构优化领域。不管是刀片电池、短刀片电池,还是CTB(电池车身一体化)、4680电池,主要是电池包层面结构优化,而非电芯层面能量密度提升。

而固态、半固态电池,是真正通过化学材料的改变,提升能量密度、改进安全性能等方面。

从液态电池走向固态、半固态,最核心是电解质的改变。4月7日,孚能科技(SH688567,股价12.62元,市值154.23亿元)研究院固态组专家对《每日经济新闻》记者表示:“半固态或固态是指电解质从液态向固态化发展的技术路线,随着液态电解液用量的减少,锂离子电池的安全性得到大幅提升,也让更高能量密度材料体系的应用成为可能。”

4月7日,鑫椤资讯主编吕真真在微信上对《每日经济新闻》记者表示:“固态电池体系包括聚合物体系、氧化物体系、硫化物体系、卤化物体系和复合电解质体系。目前行业内主流是前三者。”

当下资本市场热炒的三祥新材(SH603663,股价19.86元,市值84.21亿元),就属于氧化物体系。3月25日至4月3日,三祥新材区间涨幅达85.09%。

据了解,三祥新材主要业务为锆系制品、铸造改性材料等工业新材料的研发、生产和销售,主要产品为电熔氧化锆、海绵锆、氧氯化锆及特种陶瓷等。

氧化物体系中,锂镧锆氧(LLZO)由氢氧化锂、氧化镧、氧化锆混合烧结而成。对于公司是否向固态/半固态电池厂商供应氧化锆等电解质材料,记者4月7日致电三祥新材,工作人员回复称:“目前我们(锆基材料)只有送样。”对于具体送样哪些固态电池厂商,是否送样卫蓝新能源、清陶能源等,其表示“无法告知”。

同样被热炒的,还有老牌正极材料厂商当升科技(SZ300073,股价42.1元,市值213.24亿元)。3月25日至4月3日,当升科技区间涨幅达24.37%。

据当升科技2023年年报,公司在固态锂电正极材料商业化应用方面走在了行业前列,超高镍产品销量同比实现数倍增长,年内累计出货数百吨,持续提升在“辉能”、“清陶”、卫蓝新能源、赣锋锂电等固态电池客户的供应份额,并成功配套用于上汽集团(SH600104,股价15.35元,市值1776.81亿元)、VinFast(越南车企)等全球一线车企固态车型上。

固态电池:“安全不爆炸、能量密度大”

据乘联会数据,2024年3月,新能源车在零售市场渗透率超过40%。尽管如此,新能源车仍然因为起火、自燃、冬季续航焦虑、电池老化等问题为一些人诟病。

但若固态电池成功量产,上述很多问题将得以解决。孚能科技研究院固态组专家认为:“目前所使用的有机液态电解质在锂离子电池充放电过程中会不可避免地发生副反应,影响锂离子电池的使用寿命;同时,液态电解质中的有机溶剂具有易燃性和高腐蚀性,抗氧化性较差,因此存在热失控的风险。”

对于固态电池相对液态电池的优势,其表示:“首先是安全性的提升。只有在实现本征(物质本身的特征)安全的基础上才可以应用高电压正极和锂金属负极等高性能材料,最终达成更高能量密度的目标,取得性能与成本的兼顾,才能制造出满足TWh(亿千瓦时)时代需求的动力电池。”

吕真真表示:“理论上,固态、半固态电池有以下几个方面的优势:固态电解质更耐高温,可拓宽工作温度(区间),无需添加冷却子系统;固态电解质无可燃液态电解液,可提高使用的安全性固态电池可简化封装、冷却系统,实现电芯内部的串联结构,提升体积能量密度。”

因此,吕真真认为:“基于这些优势,也就意味着固态、半固态在应用方面可以在较大倍率下进行充放电,缩短充电时间,提高功率输出;可在过充过放、过热、冲击、穿刺等极端条件下使用;减少电池组的尺寸和重量提高电池的续航里程。”

也有投资者把固态电池的优势总结为“安全不爆炸、能量密度大”。

智慧芽向《每日经济新闻》记者提供的数据显示,截至4月7日,全球固态电池相关专利已超过1.5万件,其中授权发明专利超过5500件。从技术维度看,该领域的专利主要聚焦于固体电解质、正电极、负电极等细分技术领域。

目前,全球在固态电池相关领域布局专利数量(包括取得、在审和失效量)靠前的企业有丰田自动车株式会社、株式会社LG新能源、株式会社村田制作所、现代自动车株式会社、起亚自动车株式会社等。

中国企业在固态电池相关领域布局专利数量靠前的有北京卫蓝新能源科技有限公司、蜂巢能源科技股份有限公司(以下简称蜂巢能源)、蜂巢能源科技(无锡)有限公司、浙江锋锂新能源科技有限公司、国联汽车动力电池研究院有限责任公司等。

而发明人排名分析中,陈少杰、俞会根位列前十。结合上述公司专利布局排名,这两人或为蜂巢能源固态电池开发部部门总监陈少杰,以及卫蓝新能源总经理俞会根。

快充电池能否解决离子电导性问题?

“安全不爆炸、能量密度大”,固态、半固态电池看起来很完美,但在其发展中仍存在不少挑战。

首先是电解质材料。具体来看,固态、半固态电池由于技术路线的不同,各种电解质技术路线优缺点也不同。吕真真梳理道:

聚合物体系主要使用材料是PEO(聚环氧乙烷)等,其优势为柔韧性好、质量轻、成本低、易于加工;劣势为常温下离子电导率低,电化学窗口窄。欧美企业多采用该体系路线。

氧化物体系主要使用材料是石榴石(Garnet)、钠离子导体(NASICON)等,其优势为循环性能良好,电化学稳定性高;劣势为离子电导率较低,界面接触性差。国内企业多采用该体系路线。

硫化物体系主要使用的材料是LiGPS、LiSiPS(均为一种硫化物电解质)等,其优势为离子电导率较高,劣势为与空气接触形成有毒的硫化氢,材料生产对工艺的要求极高,成本较高。目前主要是日韩企业采用该体系路线。

根据东方证券研报,硫化物固态电解质因极高的锂离子电导率受到广泛关注,如LGPS、LSP-SC(均为一种硫化物电解质)室温下的离子电导率已与传统液态电解质媲美。以LGPS为例,其离子电导率为12mS/cm(毫西门子/厘米)。而氧化物体系中,主流为LLZO(一种固态电解质),其离子电导率为0.51mS/cm。可以看出,LLZO的离子电导率大幅低于LGPS。

东方证券表示,电解质的功能是为锂离子在正负极之间传输搭建通道,决定锂离子运输是否顺畅的指标被称为离子电导率。在电极与电解质界面上,传统液态电解质与正、负极的接触方式为液-固接触,界面润湿性良好,界面之间不会产生大的电阻,而固态电解质与正负极之间以固-固界面接触,接触面积小,紧密性较差,离子电导率通常比液态电解质低两个数量级。这一特性导致了电池的快充性能受限。

有趣的是,智己汽车联合清陶能源推出的,却是接近900V的快充电池。智己汽车表示,采用“超高离子电导率复合固态电解质”,以及行业首创的“干法固态电解质一体成型”工艺技术。

4月1日,智己汽车联席CEO刘涛在其微博表示:“是时候来给大家介绍一位智己的超级伙伴,那就是:清陶能源。”

刘涛称:固态电池技术要量产非常非常难,有很多很多材料和工艺方面要突破,但最终,我们与这群中国顶级的人才攻破了难关,联合开发出第一代固态电池。

据清陶能源官网,其固态电解质材料有氧化物固态电解质粉体、复合固态电解质膜。从介绍可,清陶能源或属于氧化物电解质路线。而根据上述研报,氧化物电解质离子电导率既低于液态电解质。

对于固态、半固态电池离子电导率较低的问题,孚能科技研究院固态组专家表示:“半固态电解质由于保留少量电解液,可以弥补导电率低和界面接触差的问题,但活性物质的添加也同时制约了更高能量密度材料体系的应用。从全固体电解质看,原位生长固态电解质包覆层可以有效改善固-固界面接触,此外还可通过热压或冷压工序减少孔隙率以提高电极的物理接触。”

固态电池难点:使用正极、负极新材料

除了固态电解质材料,固态、半固体还需使用新的正极、负极材料。

吕真真认为:“首先,来自于底层材料学的问题尚待解决。电解液从液态变成固态不会带来能量密度的提升。但固态电池体系提供了更高的安全冗余度和对新型正负极材料的相性,可以用到更高容量的负极材料或者正极材料。但如果这些材料的膨胀、稳定性、首效等本质问题没有解决——例如界面阻抗大、离子电导率低、正负极相容性差等,仍然会限制产品级固态电池性能的发挥。”

每日经济新闻2021年1月的报道曾提到,有业内人士认为:“(半固态电池)由于使用固态电解质,相对液态电解质能量密度肯定是下降的。”

即单纯使用固态电解质,电池能量密度反而下降。如要提升能量密度,需要使用能量密度更高的正极、负极材料。

孚能科技研究院固态组专家认为:“目前,由于固态电解质电导率及界面浸润不如液态电解液,需要增加正极、负极中固态电解质的体积百分比来保证锂离子导电能力。比如硫化物全固态电池的正负极极片需加入一定比例的固态电解质才能保证电性能,会降低活性物质占比并增加极片体积,从而导致质量能量密度和体积能量密度的下降。”

目前,液态电解质电池使用的是三元正极材料、磷酸铁锂正极材料、磷酸锰铁锂正极材料、石墨负极材料。那么,固态电池又将使用哪些不一样的材料呢?

孚能科技研究院固态组专家认为:“从产业化角度看,目前正极主要有高电压高镍三元、富锂锰基、超高镍三元、镍锰酸锂等材料,负极材料以硅基和锂金属为主。从发展阶段看,液态电解质向半固态发展,仍会保留电解液和隔膜;在全固态阶段,固态电解质将替代电解液,隔膜是否被替代则取决于最终量产的技术路线。”

也就是说,固态、半固态电池的正极主要是三元材料和富锂锰基,而不是如今份额最大的磷酸铁锂正极材料。

据东方证券研报,截至2023年底,容百科技(SH688005,股价31.9元,市值154.47亿元)、当升科技、贝特瑞高镍产能分别为25万吨、8.2万吨和6.3万吨。

关于负极材料,杉杉科技研究院相关负责人4月7日回复《每日经济新闻》记者称:“半固态可以采用石墨作为负极,但是为了提高能量密度,则需要搭配硅碳负极。硅碳的主要优势是比容量高,对于提高体积能量密度质量能量密度都很有效。”

负极提升能量密度主要有“掺硅补锂”,除了硅碳负极,提升负极比容量的方式还有预锂化。

对此,杉杉科技研究院相关负责人表示:“是否使用预锂化,主要取决于电芯厂的能量密度要求;预锂化分为材料预锂化和极片预锂化;对于材料预锂化来说,主要是提升材料的首次库伦效率,有利于提高电池的能量密度。”

据东方证券研报,贝特瑞硅氧、硅碳负极已有0.6万吨/年产能,在建4万吨/年产能;璞泰来(SH603659,股价20.59元,市值440.21亿元)硅氧、硅碳在建产能为1.2万吨;杉杉股份(SH600884,股价12.22元,市值275.95亿元)硅氧、硅碳在建产能为4万吨。

杉杉科技研究院相关负责人对记者表示:“杉杉自主开发的新型硅碳产品具有高首效、高容量、低膨胀和长循环的特点,预计2024年8月份实现量产,目前国内外客户均在评测。”

目前,半固态选择硅碳作为负极材料。而未来的全固态电池,或将使用锂金属作为负极材料。据东方证券研报,硅基材料是负极重要迭代方向,锂金属负极或为长期目标。

值得一提的是,锂业龙头天齐锂业(SZ002466,股价51.01元,市值837.19亿元)已经开始布局锂金属负极。2022年5月20日晚间,天齐锂业公告,其子公司天齐创锂科技(深圳)有限公司与卫蓝新能源签署《合作协议》。双方计划共同出资设立合资公司,以共同从事预锂化负极材料及回收、金属锂负极及锂基合金(复合)负极材料、预锂化试剂(原材料)及预锂化制造设备产品的研发、生产和销售等相关业务。

除了材料问题,吕真真提到,硫化物的规模化合成目前成本还比较高。此外,其也提到制备工艺的改变。“全固态电池的制备工艺相较于液态电池有比较大的改变,这对于整个行业是一个较大的颠覆。这种重大颠覆由一家企业去推动是比较困难的,需要整个产业链的带动。”吕真真表示。

孚能科技研究院固态组专家也认为:“高性能固态电池面临的挑战,研发上主要是进一步提升解决电导率低、固-固界面、金属负极等普遍技术难点。产业化上,全固态锂电池与正极材料体系兼容度高,对负极、隔膜、电解液造成了一定影响,要解决产业链配套以降低成本……”

固态电池技术的发展为电动汽车行业带来了新的解决方案,其高能量密度和改进的安全特性预示着未来电动汽车可能拥有更长的续航能力和更高的可靠性。随着固态电池、半固态电池的发展,燃油车或将面临更大压力。

综上所述,要实现固态电池的商业化,还需要克服一系列技术和生产方面的挑战。这包括提高电解质的离子电导率、优化电极与电解质之间的界面接触、降低生产成本以及建立相应的产业链配套。

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