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固态电池一夜爆红即将量产,并将改变所有电动车行业

发布日期:2021-01-13 09:42:26   发布者:诺乐电动车    人气:

       在2021年的第一个月相信大家都知道固态电池一时间想一块重磅消息一样吸引了所有人的关注,续航还能够达到普通锂电池的3倍,这是一个什么概念啊,比如说普通电池的续航是300KM那么固态电池可能会达到900-1000KM以上啊,如果安装这个比例来计算以后完全替代燃油车的时代真的就到来了,而让我们注意的是这个消息居然是一家电动汽车公司爆出的,这个公司就是我们中国国内比较知名的新能源汽车公司。


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       接下来我们首先来了解一下固态电池是一个什么产品,小编通过各种资料查询到了相关的资料供大家了解和学习。

固态电池是一种电池科技。与现今普遍使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同的是,固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。

由于科学界认为锂离子电池已经到达极限,固态电池于近年被视为可以继承锂离子电池地位的电池。固态锂电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质,取代以往锂电池的电解液,大大提升锂电池的能量密度。


简介

在固态离子学中,固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池。固态电池一般功率密度较低,能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高,所以它是电动汽车很理想的电池 。

2020年固态电池技术研发有望取得突破性进展,在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂离子电池技术。

2030年,锂离子电池将不再是电动汽车电池主流,但其在某些电子原件领域仍有一席之地。

历程

从1991年索尼公司将含有液态电解质的锂离子电池带入电子设备的应用至今,液态锂电池已经成为目前最为成熟、使用最广泛的技术路线之一。

在2010年,丰田就曾推出过续航里程可超过1000KM的固态电池。而包括QuantumScape以及Sakti3所做的努力也都是在试图用固态电池来取代传统的液态锂电池。

加拿大Avestor公司也曾尝试过研发固态锂电池,最终2006年正式申请破产。Avestor公司使用一种高分子聚合物分离器,代替电池中的液体电解质,但一直没有解决安全问题,在北美地区发生过几起电池燃烧或者爆炸事件。

2015年3月中旬,真空吸尘器的发明者、英国戴森公司(Dyson)创始人詹姆斯·戴森将其首笔1500万美元的投资投向了固态电池公司Sakti3,后者是一家成立于2007年的电池创业公司。

2018年1月消息,一项突破性的全新电池技术似乎终于接近现实。如果达到预期的话,新技术能满足手机上瘾者数天的使用需求,并且能使电动汽车的行驶里程增加到500英里(约804公里)以上。这项新技术被称为固态电池技术,它用陶瓷材料取代了当今电池中的液态电解质。

2018年1月,它与宝马公司结盟,后者已经承诺在未来10年内为其生产的每一款产品提供某种形式的电池组件,无论是传统的混合动力车、插电式电动车还是纯电动汽车(BEV)。

原理

传统的液态锂电池又被科学家们形象地称为“摇椅式电池”,摇椅的两端为电池的正负两极,中间为电解质(液态)。而锂离子就像优秀的运动员,在摇椅的两端来回奔跑,在锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池的充放电过程便完成了。

固态电池的原理与之相同,只不过其电解质为固态,具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。因此,同样的电量,固态电池体积将变得更小。不仅如此,固态电池中由于没有电解液,封存将会变得更加容易,在汽车等大型设备上使用时,也不需要再额外增加冷却管、电子控件等,不仅节约了成本,还能有效减轻重量。

优势

优势一

轻——能量密度高。使用了全固态电解质后,锂离子电池的适用材料体系也会发生改变,其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极,而是直接使用金属锂来做负极,这样可以明显减轻负极材料的用量,使得整个电池的能量密度有明显提高。 

优势二

薄——体积小。传统锂离子电池中,需要使用隔膜和电解液,它们加起来占据了电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代(主要有有机和无机陶瓷材料两个体系),正负极之间的距离(传统上由隔膜电解液填充,现在由固态电解质填充)可以缩短到甚至只有几到十几个微米,这样电池的厚度就能大大地降低——因此全固态电池技术是电池小型化,薄膜化的必经之路。

优势三

柔性化的前景。即使是脆性的陶瓷材料,在厚度薄到毫米级以下后经常是可以弯曲的,材料会变得有柔性。相应的,全固态电池在轻薄化后柔性程度也会有明显的提高,通过使用适当的封装材料(不能是刚性的外壳),制成的电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。

优势四

更安全。传统锂电池可能发生以下危险:

(1) 在大电流下工作有可能出现锂枝晶,从而刺破隔膜导致短路破坏 

(2)电解液为有机液体,在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。采用全固态电池技术,以上两点问题就可以直接得到解决 

争议

固态电池可能是未来电池技术的发展方向之一,但也许不是最好的。”上述新能源生产企业的技术人员称,“包括燃料电池、超级电容器、铝空气电池、镁电池在理念上都有较大的发展空间,而最终,要看哪种路线发展更快、更接地气。”所谓接地气,就是在商业化的规模和成本方面都能达到完美的平衡点。首先,使用的材料必须不能是高成本且稀有的。其次,要在各个行业和领域都有实现大规模应用的可能。

或许,现在最具考验的地方在于价格。液态锂电池的成本大约在200~300美元/千瓦时,如果使用现有技术制造足以为智能手机供电的固态电池,其成本会达到1.5万美元,而足以为汽车供电的固态电池成本更是达到令人咋舌的9000万美元。

Sastry表示,固态电池生产成本居高不下的一个重要原因在于生产效率低下。按照Sastry的规划,Sakti3最终将会把电池的成本降低至100美元/千瓦时,不过,她并没有给出最终的时间。

从理论的提出时间来看,固态电池并不是一个新的概念,但多年来,研发上的进展并没有想象那么快速。韩国三星的一位技术人员认为,即便Sakti3最终能做到成本上的降低,电池从实验室到最终的量产也需要不短的时间。正如液态锂电池,在上世纪70年代,相关的理念和实验认证就在齐头并进地推进,但真正大规模的使用,已经是20世纪末了。


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有了以上非常详细的对固态电池的了解现在我们来继续解读固态电池的未来市场前景,我们生活中手机,汽车,电动助力车,包括一些旅游景区,社区,学校,工业园区的电动观光,电动巡逻车,电动老爷车等等都需要用到电池,那么如果固态电池真的能够在短时间内商用并且普及的话那这个市场将会是一种什么样的概念,可能我们的手机以后一个星期充电一次就有可能了,我们的汽车一次充电可以在成都出发到达西安甚至河南郑州都不用担心车子没有电了在高速路上走动不了。还有我们的电动观光车,电动巡逻车,这样的区域车型可能一两个星期充电一次都不是问题了,太多太多了。这只是我们随处可见的一种景象,接下来还会影响那些行业呢,请小编继续往下说,其次影响最大的应该是资本市场,以前有锂电池的出现让资本市场有了非常大的一个波动,后面在2018年左右出现了石墨烯电池的消息一时间也是引起了不小的风波,现在的固态电磁那更是一个重磅来袭相信会是更上一城楼啊。


市场格局


各国政府近年陆续出台政策扶持新能源汽车行业,多个国家明确固态电池发展目标和产业技术规划:2020-2025年着力提升电池能量密度并向固态电池转变,2030年研发出商业化全固态电池。

中国方面,部分企业已进入固态锂离子电池(半固态电池)中试阶段,2025年前或可实现量产,如宁德时代、辉能科技等。

日韩方面,丰田计划2022年实现搭载固态电池的电动车量产。目前全球范围内,日本企业的固态电池技术较为领先,许多日韩企业选择抱团研发。

欧洲则谋求在固态电池领域翻盘,欧美各大车企纷纷投资固态电池初创企业。例如美国高校衍生的初创企业Solid Power、Solid Energy Systems、Quantum Scape等。

很明显,固态电池领域已经进入“军备竞赛”阶段,市场参与者众多,车企、电池企业、投资机构、科研机构等在资本、技术、人才三方面进行博弈。

多数机构预期,按照目前发展情况,2025年固态电池将实现商业化量产。从演进角度,固态电池技术发展预计采用逐步颠覆策略,液态电解质含量逐步下降,全固态电池是最终形态。

天风证券指出,粗略来看,欧洲固态电池主要是聚合物体系,美国是固液混合,在亚洲中日韩主要是氧化物。

法国的Bollore是聚合物固态电池。横向比较来看,其循环性较好,但是能力密度较低,而且科研开支逐年递减。

日本的丰田汽车则是采用硫化物路线,上游就涉及到金属和化学工业厂商。

此次日经的报道称,三井金属(Mitsui Kinzoku)将在埼玉县建设一座试验厂房,为这种电池生产固态电解质;日本石油公司出光兴产(Idemitsu Kosan)也同样在它位于千叶市的生产基地部署固态电解质生产设备。

国内方面,赣锋锂业、清陶能源走的是氧化物路线,宁德时代是硫化物路线。

其中,清陶能源的固态电池能量密度可达400Wh/kg以上,赣锋锂业固态电池的能量密度在240Wh/kg,宁德时代理论可达400Wh/kg。

蔚来150kWh电池是真正的固态吗?

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本部分对发布会提到的固态电池三大核心技术,众多的专业词汇,进行深度的拆分和解读。


1、纳米级包覆超高镍正极

我们需要把这个词拆开来看,“超高镍”指的是正极材料,提高镍的含量,能提高正极材料的克容量,从而提高单体能量密度,这是行业主流路线,“超高”汽车人参考认为至少是三元811,甚至是9系。

需要指出的是,蔚来在100kWh电池包采用的是较安全的镍55(Ni55)高电压单晶材料,结构配合CTP。而“超高镍”,蔚来汽车又选择了另外一条路。

“纳米级包覆”指的是工艺,超高镍带动结构不稳定,往往需要在材料表面包覆抗蚀层,防止释氧,但包覆太厚又会影响锂离子从正极材料的脱嵌,因此采用的是纳米级的包覆,即把包覆做薄。


2、无机预锂化硅碳负极

也需要把这个词拆开来看,“硅碳负极”指的是负极材料,石墨负极有较高的稳定性,但石墨的能量密度比较低(理论克容量约372mAh/g);硅基材料具有很高的能量密度(理论克容量4200mAh/g),在负极加入硅后,能够让负极材料的理论克容量提升约10倍。

但加入硅后,需要解决两种材料在充放电过程中体积膨胀不同,硅的体积膨胀为320%,而碳仅为12%,膨胀不同,结构就会坍塌。


硅碳负极也是当前行业的主流路线,大多数电池企业的负极材料都早已经开始掺硅,并在逐渐提高硅的含量。

而宽度在10纳米左右、长度无限制的一维的硅纳米线是当前一种新的思路。

另外需要指出的是,负极采用硅碳体系,单体能量密度会有一个天花板,大概在300Wh/kg的水平,而要继续实现能量密度的突破,采用金属负极是其中一种可能,也就是锂金属电池,能量密度可以做到500-600Wh/kg的水平。


显然,蔚来汽车目前也并没有采用这种路线。

“预锂化”指的是工艺,在电池化成时,额外寻找一个锂源,让负极形成的SEI膜不消耗正极脱嵌的锂离子(约有10%~35%的首次不可逆锂损失),最终提高电池的容量,常见的预锂化方式是在负极(金属Li粉和Li箔)或者正极补锂。

预锂化业界也开发了很多年,但是锂很活跃,需要解决安全和高成本的问题。

而蔚来汽车“无机预锂化”,汽车人参考认为应该指的是将无机粉末添加到熔融锂中形成混合物的方式。


3、原位固化固液电解质

这个词比较绕口,核心在“固液电解质”,所谓原位固化,就是逐步把当前的液态电解质转换为固体,而不是一步到位全固态的方法。

也就是蔚来汽车的固态电池,本质上是同时含有固态电解质和液态电解质的锂电池。


按照2022年底量产计划,再结合国内相关企业研发进展,汽车人参考认为,蔚来半固态电池,具体应该是一端电极是全固态,另一端电极是液态,固态电解质接近或超过一半质量比/体积比。

综上,蔚来汽车的“固态电池”,包括了正极高镍、负极硅碳、电解质半固态三个关键点,分别在材料和工艺两个层面进行了技术创新。

因此,蔚来的“固态电池”本质上没有颠覆性技术,更多的是,沿着行业公认主流技术路线的推进和落地,并不是真正意义上的固态电池。

“高镍”下电解质半固态或是当下最优

在蔚来的“半固态”电解液路径下,高镍正极便成为在现有技术上提高能量密度的突破口。

中金公司认为,高镍锂电是中长期推动无里程焦虑平价的重要路径。


1、真实里程需求驱动高镍锂电中长期发展

目前,消除里程焦虑是建立在真实可用的里程之上,中长期600km以上的标称里程有进一步普及的需求(对应严酷工况下的可用里程约300-350km),而高镍锂电是驱动新能源车里程普遍提升至600km以上的重要技术路径。

2、中长期有望实现装车成本接近铁锂,平价可期

成本端,不能僵化的只看单kWh成本,而需要从车企的角度看待装车成本。装车成本受两大因素影响:1)电池的单kWh成本,2)能量密度对整车能耗的影响。

通过系统能量密度的进一步提升,高镍锂电中长期有望从系统级成本上接近或低于铁锂。

铁锂当前市场价格已低于700元/kWh,较三元低20%以上,在当前时点具备一定里程范围内的强竞争力。


中长期来看,中金预计:

高镍三元与铁锂的kWh价格差将缩小。预期至2025年,高镍三元与铁锂的单kWh价格可下降至650元/kWh与530元/kWh,价格差将由目前的近30%,缩小至20%左右。

成本能量密度的绝对值差距将进一步拉大。我们预期至2025年,乘用车领域高镍三元与铁锂的系统能量密度可达到220Wh/kg与160Wh/kg。其中高镍三元若使用CTP,则能量密度有进一步提升的空间,铁锂提升的空间则已较有限。


能量密度优势有望驱动高镍三元在中低里程装车成本上与铁锂相近,在长里程下实现成本更优。

当前时点,铁锂在中低里程上具备显著的成本优势,但体积能量密度限制其普及应用于500km以上车型中。

2025E,能量密度带来的能耗优势将驱动高镍三元在单kWh价格依旧高于铁锂的情景下,实现综合系统成本接近铁锂,并在长里程上低于铁锂。

并且,高镍路径通过减少材料用量,与核心金属用量,规模化下可推动三元进一步降本。高镍材料的使用可以带来四大材料各环节用量的进一步下降(原理方面来说,由于正极克容量的提升,使得正极涂布面积下降,对应使得极片面积、隔膜面积及电解液量下降),同时高镍材料钴含量较小,具备从正极本身进一步较NCM523降本的潜力。此外,由于高镍锂电中镍占比的快速提升,中长期硫酸镍的资源重要性将得到进一步的强化。


利好哪些环节和公司?

1、利好哪些环节?

①都在说利好高镍正极、碳硅负极环节,它们有效提升能量,但跟是不是半固态没关系,液态锂金属也可用。但也意味无论哪种路线它们都是不可避免趋势。对标高镍正极【当升科技】、硅碳负极【璞泰来】。

②锂的用量增加。固态电池负极将从石墨/硅负极过渡到预锂化负极、富锂复合负极、金属锂负极。对标【赣锋锂业、天齐锂业】。

③固态电池导电性能差,因此需要更好的导电剂,CNT使用比例将大幅提升。对标【天奈科技】。


2、布局固态电池的企业

国内台湾辉能、江苏清陶、北京卫蓝、赣锋锂业、宁德时代这四家离产业化比较接近。

清陶相对最成熟,蔚来固态电池供应商市场猜测是它。

天齐锂业持有卫蓝新能源5%股权;赣锋第一代2亿瓦时的固态电池中试线顺利投产。

新宙邦是最具预期差公司。

有消息人士透露,宁德时代或为蔚来固态电池供应商。针对“成为蔚来固态电池提供方”的消息,宁德时代回应称,宁德时代的高强度研发投入和技术储备,以及量产制造能力,能够支撑我们产品竞争力的持续领先。

固态电解质是固态电池的核心,按电解质材料选择,固态电池分氧化物、聚合物、硫化物三种路线。氧化物是现在相对成熟路线,而硫化物离子导电率最高,是后期最可能技术路线,难度当前还比较大。


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