鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1137次 | 2018年09月27日
關(guān)于固態(tài)電池的新布局
1、三元和磷酸鐵鋰電池為企業(yè)布局重點(diǎn)
在車用動(dòng)力電池領(lǐng)域，鋰電池已經(jīng)成為主流。目前國(guó)際主流動(dòng)力電池企業(yè)主要電池類型基本為磷酸鐵鋰和三元鋰電池。
2017年全球前十動(dòng)力電池企業(yè)主要電池類型從中國(guó)市場(chǎng)來(lái)看，磷酸鐵鋰和三元電池當(dāng)前依然是車用動(dòng)力電池的主流，2016年和2017年裝機(jī)占市場(chǎng)總量的94.5%和93.3%。
2、磷酸鐵鋰和三元鋰電池還有一段發(fā)展期
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，磷酸鐵鋰和三元鋰電池的技術(shù)水平得到明顯提升。在成本方面，磷酸鐵鋰電池組價(jià)格從2017年年初的1.8-1.9元/Wh下降到年底的1.45-1.55元/Wh。三元?jiǎng)恿﹄姵?/a>包價(jià)格從年初的1.7-1.8元/Wh下降到年底的1.4-1.5元/Wh。
在能量密度方面，2017年底，基于NCM622材料電池單體能量密度超過(guò)200Wh/kg，系統(tǒng)能量密度160Wh/kg，2018年預(yù)計(jì)電池單體能量密度可達(dá)到230~250Wh/kg。
表4動(dòng)力電池能量密度44(單位Wh/kg)
這兩種電池還有一定的提升空間，尤其是新一代材料對(duì)電池性能的提升作用，比如正極材料811、硅碳負(fù)極的研發(fā)，將會(huì)進(jìn)一步提升鋰動(dòng)力電池的能量密度，單體能量密度有望達(dá)到300Wh/kg，加上這兩種電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)強(qiáng)大，在產(chǎn)業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)還將存在一定時(shí)期。
固態(tài)電池成為目前布局重點(diǎn)
1、固態(tài)鋰電池的潛在技術(shù)優(yōu)勢(shì)
固態(tài)鋰電池，與傳統(tǒng)鋰電池相比的最大特點(diǎn)在于其使用了固態(tài)電解質(zhì)材料，當(dāng)使用的電極和電解質(zhì)材料均為固態(tài)、不含任何液態(tài)組分時(shí)，則為全固態(tài)鋰電池。固態(tài)電解質(zhì)改變了鋰電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，隔膜、液態(tài)電解液等不再是必要組件，帶來(lái)巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)潛力。
固態(tài)鋰電池與傳統(tǒng)鋰電池的技術(shù)原理示意圖
固態(tài)鋰電池的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，一是安全性高，不含易燃易揮發(fā)有毒性的有機(jī)溶劑，不存在漏液?jiǎn)栴}，有望避免鋰枝晶的產(chǎn)生，大幅度降低電池燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。二是循環(huán)壽命長(zhǎng)，不存在液態(tài)電解質(zhì)在充放電循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生固體電解質(zhì)界面膜的問(wèn)題，目前研發(fā)的預(yù)期壽命是15000-20000次。三是能量密度高，傳統(tǒng)鋰電池中隔膜和電解液體積占比40%，固態(tài)電解質(zhì)能大幅縮減電池正負(fù)極間距離，提高體積比能量，全固態(tài)鋰電池能量密度預(yù)估最大潛力值達(dá)900Wh/kg。四是系統(tǒng)比能量密度高，固態(tài)電解質(zhì)無(wú)流動(dòng)性，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)串聯(lián)組成高電壓?jiǎn)误w，利于提升動(dòng)力電池系統(tǒng)成組效率和能量密度。五是正負(fù)極材料選擇范圍寬，可同時(shí)兼用金屬鋰負(fù)極和高電勢(shì)正極材料等新技術(shù)，全固態(tài)金屬鋰電池是未來(lái)新型電池的研發(fā)方向。除此之外，固態(tài)電池的工作溫度范圍、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬，并且具備薄膜化、柔性化的潛力。
2、全球企業(yè)紛紛布局固態(tài)電池，爭(zhēng)奪先機(jī)
由于當(dāng)前磷酸鐵鋰和三元鋰電池自身的瓶頸，以及固態(tài)電池的潛在優(yōu)勢(shì)，歐美、日韓、中國(guó)等國(guó)家的涉及動(dòng)力電池、汽車及能源方面的產(chǎn)業(yè)鏈上眾多企業(yè)正在積極布局和研發(fā)固態(tài)電池。
總體上，歐美國(guó)家主要是立足于固態(tài)電池技術(shù)的創(chuàng)業(yè)型公司，日本主要以傳統(tǒng)車企、機(jī)械企業(yè)為主的電池技術(shù)創(chuàng)新。中國(guó)的企業(yè)相對(duì)來(lái)說(shuō)進(jìn)入固態(tài)鋰電池領(lǐng)域的時(shí)間較晚，且主要以科研機(jī)構(gòu)或院校為支撐，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢。
研發(fā)方面，國(guó)內(nèi)主力為中科院的科研機(jī)構(gòu)，有一定積累并與國(guó)外基本處于同一水平，但能量密度距離理論值仍有較大的提高空間，離子導(dǎo)電率、循環(huán)壽命也亟待進(jìn)一步提升。固態(tài)鋰電池根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)分為三條技術(shù)路線，分別為聚合物、氧化物與硫化物固態(tài)電解質(zhì)，各科研機(jī)構(gòu)采用的技術(shù)路線并不相同。其中，中科院青島能源所與中科院化學(xué)所兩家主攻聚合物固態(tài)鋰電池，前者的實(shí)驗(yàn)樣品能量密度達(dá)300Wh/kg，并首次完成深海測(cè)試，后者則突破了聚合物固態(tài)電解質(zhì)室溫下低導(dǎo)電率的瓶頸;中科院物理研究所的研究特色在于掌握原位形成技術(shù)，研制的10Ah軟包電池能量密度達(dá)310-390Wh/kg，體積比能量達(dá)800-890Wh/L;中科院寧波材料所、上海硅酸鹽研究所分別聚焦于無(wú)機(jī)固態(tài)鋰電池和復(fù)合固態(tài)鋰電池的研究。
3、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)壁壘亟待突破
經(jīng)過(guò)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的攻關(guān)，目前固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)得到突破，能量密度超過(guò)300Wh/kg，但基本都是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，距離產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。
在技術(shù)層面，固態(tài)電解質(zhì)離子導(dǎo)電率、固/固界面相容性和穩(wěn)定性仍是兩大制約問(wèn)題。聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電性在常溫下較低，一般需要加熱至60oC以上才能正常工作，如法國(guó)Bolloré則采用聚合物電解質(zhì)與電池加熱的技術(shù)路線;硫化物電解質(zhì)的導(dǎo)電率目前與傳統(tǒng)鋰電池的水平相當(dāng)，但仍需突破界面相性問(wèn)題，主要通過(guò)材料合成和納米層技術(shù)增大活性物質(zhì)的量、降低界面層電阻。同時(shí)，金屬鋰負(fù)極、新型復(fù)合正極材料仍在研發(fā)中，有望實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的應(yīng)用，屆時(shí)能量密度、容量、倍率性能、安全性能及循環(huán)壽命將有巨大的突破。
整體上來(lái)看，固態(tài)鋰電池的生產(chǎn)制備成熟度還亟待加強(qiáng)，規(guī)?；?、自動(dòng)化的生產(chǎn)線還需要進(jìn)一步研發(fā)，目前仍處于行業(yè)積累期。固態(tài)電池總體發(fā)展路徑為，受制于固/固界面穩(wěn)定性問(wèn)題，液態(tài)電解質(zhì)的含量逐步減少，由液態(tài)→半固態(tài)→固液混合→固態(tài)→全固態(tài)電池過(guò)渡;在全固態(tài)鋰金屬電池發(fā)展上，受制于金屬鋰負(fù)極可充性問(wèn)題，負(fù)極材料將從石墨→合金化負(fù)極(如Si/C)→金屬鋰負(fù)極進(jìn)行過(guò)渡。隨著研發(fā)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)方面的發(fā)展，固態(tài)電池的性能與生產(chǎn)將逐步優(yōu)化，在動(dòng)力電池市場(chǎng)迎來(lái)機(jī)遇。
潛在技術(shù)的替代者依然存在
除了對(duì)當(dāng)前鋰電池的改善及固態(tài)電池的布局，在動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新中，國(guó)內(nèi)外企業(yè)和機(jī)構(gòu)/大學(xué)紛紛進(jìn)行了不同嘗試，一些指標(biāo)較目前水平有較大改善，為動(dòng)力電池性能的提升提供了有力參考。
通過(guò)對(duì)收集的典型創(chuàng)新案例技術(shù)指標(biāo)梳理，可以發(fā)現(xiàn)，目前一些產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)已經(jīng)得到提升。在能量密度方面，鋁空氣電池能量密度達(dá)到780Wh/kg，鋰硫電池達(dá)到350Wh/kg，固態(tài)電池達(dá)到360Wh/kg;在充電倍率方面，典型創(chuàng)新性產(chǎn)品最高充電倍率已經(jīng)超過(guò)100C。在循環(huán)壽命方面，典型創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)能夠超過(guò)15000次。
但目前動(dòng)力電池創(chuàng)新性產(chǎn)品一般都是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，新型電池在下一步產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，還面臨許多挑戰(zhàn)。比如鋰硫電池安全性低、體積比能量低、放電倍率低、能量轉(zhuǎn)換效率低和循環(huán)次數(shù)低，短時(shí)間很難在車用領(lǐng)域得到應(yīng)用。總的來(lái)說(shuō)，目前這些研究雖然處于實(shí)驗(yàn)階段，距離產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn)，是否能夠在一定時(shí)期替換現(xiàn)有體系電池在業(yè)界也存在爭(zhēng)議。但毫無(wú)疑問(wèn)這些電池有望打破當(dāng)前動(dòng)力電池的一些技術(shù)瓶頸、降低電池成本，創(chuàng)造更長(zhǎng)續(xù)航里程，在動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，這些電池不容忽視。
