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1、固態(tài)電池兼具安全性和高能量密度,有望成為下一代電池
固態(tài)電池有望解決鋰電池面臨的比能量低、循環(huán)壽命短及安全性能差的困境,是未來(lái)大容量鋰電池的發(fā)展方向。目前基于氧化物正極與石墨負(fù)極的傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度越來(lái)越接近理論上限,同時(shí),由于采用有機(jī)物液態(tài)電解液,鋰離子電池在充放電過(guò)程中不可避免地發(fā)生副反應(yīng),以及電池循環(huán)過(guò)程中電解液揮發(fā)、泄露等現(xiàn)象均會(huì)導(dǎo)致電池容量的不可逆衰減,影響電池使用壽命。
并且有機(jī)物的電解液十分易燃,短路時(shí)容易引發(fā)爆炸,電池的絕對(duì)安全性十分堪憂(yōu)。而采用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)有機(jī)物電解液的固態(tài)電池,有望解決傳統(tǒng)鋰離子電池面臨的比能量低、循環(huán)壽命短及安全性能差的困境,是未來(lái)大容量鋰電池的發(fā)展方向。
固態(tài)鋰電池是一種使用固體電極材料和固體電解質(zhì)材料、不含有任何液體的鋰電池。固態(tài)鋰電池相比液態(tài)鋰電池,改進(jìn)的部分主要是固態(tài)電解質(zhì)替代電解液。根據(jù)液態(tài)電解質(zhì)占電芯材料混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類(lèi),電池可細(xì)分為液態(tài)性能(25%)、半固態(tài)(5%-10%)、準(zhǔn)固態(tài)(0%-5%)和全固態(tài)(0%)四大類(lèi),其中半固態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)三種統(tǒng)稱(chēng)為固態(tài)電池。
固態(tài)電池電解質(zhì)主要選用氧化物、硫化物、聚合物,電解質(zhì)以薄膜的形式分割正負(fù)極,從而替代隔膜。負(fù)極從石墨體系升級(jí)到了預(yù)鋰化的硅基負(fù)極或者鋰金屬負(fù)極,正極從高鎳升級(jí)到超高鎳、鎳錳酸鋰、富鋰錳基等正極,能量密度可達(dá) 500Wh/kg 以上。當(dāng)前半固態(tài)鋰電池已量產(chǎn),準(zhǔn)固態(tài)電池在小試中,預(yù)計(jì) 2024 年下半年量產(chǎn),全固態(tài)預(yù)計(jì) 2027 年之后量產(chǎn)。
半固態(tài)/準(zhǔn)固態(tài)/全固態(tài)對(duì)比
半固態(tài):液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<10%,減少液態(tài)電解質(zhì)的用量,增加氧化物和聚合物的復(fù)合電解。質(zhì)電解質(zhì):氧化物主要以隔膜涂覆和正負(fù)極包覆形式添加,聚合物以框架網(wǎng)絡(luò)形式填充。
準(zhǔn)固態(tài)/類(lèi)固態(tài):液體電解質(zhì)質(zhì)量百分比<5%。
負(fù)極:從石墨體系升級(jí)到預(yù)鋰化的硅基負(fù)極、鋰金屬負(fù)極。
正極:從高鎳升級(jí)到了高鎳+高電壓、富鋰錳基等正極。
隔膜:仍保留并涂覆固態(tài)電解質(zhì)涂層鋰鹽:從六氟磷酸鋰升級(jí)為L(zhǎng)iTFSI,能量密度可達(dá) 350Wh/Kg 以上。
全固態(tài):不含有任何液體電解質(zhì)選用氧化物、硫化物、聚合物等。作為固態(tài)電解質(zhì),以薄膜的形式分割正負(fù)極,從而替代隔膜的作用。
負(fù)極:從石墨體系升級(jí)到預(yù)鋰化的硅基負(fù)極、鋰金屬負(fù)極。
正極:從高鎳升級(jí)到超高鎳、鎳錳酸鋰、富鋰錳基等正極。
與液態(tài)鋰離子電池相比,固態(tài)電池具備更高的能量密度、循環(huán)壽命、更好的熱穩(wěn)定性、電化學(xué)穩(wěn)定性、更寬的電化學(xué)窗口等。和液態(tài)鋰離子電池相比,全固態(tài)電池具備以下優(yōu)勢(shì):
(1)沒(méi)有液態(tài)電解液泄露風(fēng)險(xiǎn)和腐蝕的隱患,熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性更好;
(2)穩(wěn)定且較寬的電化學(xué)窗口,可匹配高電壓正極材料;
(3)循環(huán)壽命更長(zhǎng),固態(tài)電池能解決SEI 膜持續(xù)生長(zhǎng)、過(guò)度金屬溶解、正極材料析氧、電解液氧化、析鋰等問(wèn)題。
(4)具備更高的能量密度。傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池能量密度約為 200-300Wh/Kg,固態(tài)電池能量密度可達(dá)500Wh/Kg 以上。
(5)固態(tài)電池工作溫度范圍可擴(kuò)展至-50~200℃,充電時(shí)間縮短至液態(tài)電池的1/3。
固態(tài)電池從 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始發(fā)展,目前加速商業(yè)化步伐。
(1)初期探索階段(20世紀(jì) 60-90 年代):1972 年,SCROSATI 首次報(bào)道了一種采用LiI 的電解質(zhì)的固體鋰離子電池,因技術(shù)障礙,固態(tài)電解質(zhì)的低離子電導(dǎo)率和界面穩(wěn)定性問(wèn)題,未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。1987年,中國(guó)科技部將固態(tài)鋰電池列入“863 計(jì)劃”重大專(zhuān)題,1988 年,在863 計(jì)劃的支持下,我國(guó)率先研制出。
(2)技術(shù)積累與初步突破(2000-2016 年):多家公司進(jìn)行固態(tài)電池研發(fā),2012年,美國(guó)蘋(píng)果公司開(kāi)始布局固態(tài)電池應(yīng)用研發(fā);2014 年,豐田宣布開(kāi)始固態(tài)電池的研發(fā);2016年,比亞迪啟動(dòng)固態(tài)電池項(xiàng)目。
(3)商業(yè)化萌芽與加速(2017 年至今):2018 年,中國(guó)科技部將固態(tài)電池列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。半固態(tài)電池加速商業(yè)化,2023 年藍(lán)新能源成功向蔚來(lái)汽車(chē)交付半固態(tài)電池;2024 年,寧德時(shí)代宣布其全固態(tài)電池研發(fā)進(jìn)展,并計(jì)劃于2027 年實(shí)現(xiàn)小批量量產(chǎn)。
2、固態(tài)電池逐步成熟,半固態(tài)率先產(chǎn)業(yè)化
全固態(tài)電池量產(chǎn)仍面對(duì)挑戰(zhàn),半固態(tài)電池率先產(chǎn)業(yè)化。全固態(tài)電池研發(fā)仍面對(duì)挑戰(zhàn)。如大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)中的離子擴(kuò)散速率與液態(tài)電解質(zhì)存在數(shù)量級(jí)差異、固固界面難以始終保持良好接觸等。而半固態(tài)電池安全性、倍率性能介于液態(tài)和全固態(tài)之間,相比于全固態(tài)電池,半固態(tài)可以兼容現(xiàn)有液態(tài)電池工藝設(shè)備和材料,許多企業(yè)選擇從液態(tài)到半固態(tài)再到全固態(tài)的漸進(jìn)式發(fā)展路線(xiàn)。未來(lái)隨著材料體系創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新持續(xù)降本、設(shè)備創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),鋰電池將逐步邁入全固態(tài)。
半固態(tài)電池裝機(jī)逐步起量,規(guī)?;b機(jī)在即。中國(guó)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟,2024年1-6 月,半固態(tài)電池裝車(chē)量達(dá) 2.2GWh,月度裝機(jī)量逐步提升,當(dāng)前已初具規(guī)模。
3、固態(tài)電池在高端長(zhǎng)續(xù)航車(chē)型、e-VTOL 等方向有明確應(yīng)用場(chǎng)景
受益于固態(tài)電池的高能量密度,其有望在高端長(zhǎng)續(xù)航車(chē)型率先使用,目前半固態(tài)電池已在多車(chē)型配套。固態(tài)化為新能源車(chē)帶來(lái)優(yōu)勢(shì):提高單體電壓平臺(tái)、正極材料高錳化、簡(jiǎn)化工藝制程降能耗,可降低成本,提升安全、性能、耐久性。
多車(chē)型已配套固態(tài)電池,2023年6月,搭載三元固液混合電池的賽力斯完成歐洲首批交付;2023 年12 月,蔚來(lái)CEO駕駛搭載150度半固態(tài)電池的 ET7 進(jìn)行路試直播;2024 年 5 月,搭載光年固態(tài)電池的智己L6 上市,10月,光年固態(tài)電池將量產(chǎn);2024 年 4 月,廣汽埃安發(fā)布全固態(tài)電池,能量密度超過(guò)400Wh/Kg,預(yù)計(jì)在 2026 年量產(chǎn)上車(chē)。
車(chē)企搭載固態(tài)電池進(jìn)展
賽力斯:2 月 7 日晚間,贛鋒鋰電發(fā)布消息稱(chēng),搭載贛鋒鋰電三元固液混合鋰離子電池的賽力斯純電動(dòng) SUV 車(chē)型——SERES 5 規(guī)劃于 2023 年上市。
蔚來(lái)汽車(chē):2021 年,蔚來(lái)發(fā)布 150 度半固態(tài)電池,2023 年 12 月,蔚來(lái)CEO 李斌駕駛打造150度電池的蔚來(lái) ET7 進(jìn)行路試直播,14 小時(shí)行駛 1044 公里,剩余電量3%。
智己汽車(chē):2024 年 3 月 25 日,上汽旗下智己品牌官宣,行業(yè)首個(gè)準(zhǔn)900V 高壓超快充固態(tài)電池即將量產(chǎn)上車(chē)(4 月)。智己 L6 也將成為行業(yè)內(nèi)首款搭載量產(chǎn)固態(tài)電池的新能源車(chē)型。
廣汽埃安:2024 年 4 月,廣汽埃安發(fā)布全固態(tài)電池,能量密度超過(guò)400Wh/Kg,預(yù)計(jì)在2026年量產(chǎn)上車(chē),昊鉑旗下車(chē)型將率先搭載。
資料來(lái)源:每日經(jīng)濟(jì)新聞,騰訊網(wǎng),充電頭網(wǎng),方得智駕,車(chē)則,智電出行,思瀚,贛鋒鋰電微信公眾號(hào),山西證券研究所
固態(tài)電池是支持低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。相較新能源汽車(chē),e-VTOL 對(duì)電池的能量密度、功率、倍率、安全性、快充及長(zhǎng)壽命等指標(biāo)的要求更高,目前量產(chǎn)的電池能量密度尚無(wú)法達(dá)到。兼?zhèn)涓吣芰棵芏取⒏吖β?、高安全性的固態(tài)電池是更好的動(dòng)力來(lái)源,且eVTOL對(duì)成本相對(duì)不敏感,固態(tài)電池契合市場(chǎng)需求。
低空經(jīng)濟(jì)是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。8 月 3 日,國(guó)務(wù)院日前印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)服務(wù)消費(fèi)高質(zhì)量發(fā)展的意見(jiàn)》,鼓勵(lì)郵輪游艇、房車(chē)露營(yíng)、低空飛行等新業(yè)態(tài)發(fā)展。2024 年全國(guó)兩會(huì),“積極打造生物制造、商業(yè)航天、低空經(jīng)濟(jì)等新增長(zhǎng)引擎”被寫(xiě)入政府工作報(bào)告。
固態(tài)電池在 eVTOL 的應(yīng)用進(jìn)展
力神電池:力神電池 eVTOL、消費(fèi)無(wú)人機(jī)電池能量密度分別達(dá) 325Wh/kg、340Wh/kg,下一步將開(kāi)發(fā)350Wh/kg 及 400Wh/kg 高比能高安全電池,用于提升 eVTOL 續(xù)航能力,未來(lái)還將開(kāi)發(fā)能量密度 500Wh/kg、具備 9C 閃充、支持 2000+次循環(huán)的長(zhǎng)壽命電池,以進(jìn)一步提升eVTOL、無(wú)人機(jī)續(xù)航能力及安全可靠性。
寧德時(shí)代:寧德時(shí)代在互動(dòng)平臺(tái)上表示,公司凝聚態(tài)電池能量密度最高可達(dá)500Wh/kg,正在進(jìn)行民用電動(dòng)載人飛機(jī)項(xiàng)目的合作開(kāi)發(fā),執(zhí)行航空級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試,滿(mǎn)足航空級(jí)的安全與質(zhì)量要求,同時(shí)還將推出凝聚態(tài)電池的車(chē)規(guī)級(jí)應(yīng)用版本。8 月 3 日,寧德時(shí)代與峰飛航空簽署戰(zhàn)略投資和合作協(xié)議,寧德時(shí)代投資數(shù)億美元,加碼 eVTOL 電動(dòng)垂直起降航空器賽道。
東風(fēng)汽車(chē):東風(fēng)汽車(chē)飛行汽車(chē)被分為飛行模塊、底盤(pán)模塊和座艙模塊,三個(gè)模塊可拆分使用,甚至可以在未來(lái)共享底盤(pán)與飛行器,用戶(hù)只需要購(gòu)買(mǎi)一個(gè)款屬于座艙。除了日常出行,這一產(chǎn)品對(duì)于科考方面有很大幫助。
正力新能:半固態(tài)航空電池產(chǎn)品具備兼顧高能量密度、高功率、高安全、超級(jí)快充于一體的“三高一快”特點(diǎn),公司已與國(guó)內(nèi)外多家頭部 eVTOL 企業(yè)建立合作關(guān)系,為各類(lèi)電動(dòng)航空器動(dòng)力系統(tǒng)提供一站式開(kāi)發(fā)服務(wù)。
資料來(lái)源:人民網(wǎng),力神,證券日?qǐng)?bào),Wind,集邦固態(tài)電池,新浪新聞,新京報(bào),思瀚,山西證券研究所
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