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全球固态电池争霸赛寻找下一个宁德时代

2019-09-16 22:35:26来源:励志吧0次阅读

全球固态电池争霸赛:寻找下一个宁德时代

固态电池已成为全球新一轮动力电池竞赛中的投资热点。

2018年底,成立于2010年的半固态锂电池研发企业24M对外宣布,获得D轮2180万美元融资,资本方来自高级陶瓷制造商京瓷集团和全球贸易公司伊藤忠商事。

这家公司从曾经风靡一时后来衰落的美国磷酸铁锂电池企业A123分拆出来,由中国台湾科学家蒋业明博士创立,目标是为电动汽车开发价格合理的高能量密度电池,将从2019年开始建立一个小型产业化工厂,希望在2020年交付首批产品。

24M是新一轮全球动力电池竞赛中的一个缩影。从全球来看,中国、日本、韩国、德国、法国、美国、英国、澳大利亚等国家的诸多车企和电池企业纷纷下注固态电池,希望打造下一个超级明星公司——固态电池领域的“宁德时代”,后者是中国创业板估值最高的公司。

不过,中国化学与物理电源协会秘书长刘彦龙分析,固态电池现在还处于实验室阶段,在研发上还面临比较多的难以客服的障碍,预计真正量产至少要在五年之后。

为何抢注下一代锂电池

电动汽车的蓬勃发展对动力电池的能量密度和安全性提出了更高的要求。

2017年中国政府11月发布的 《节能与新能源汽车技术路线图》规划提出,纯电动汽车动力电池的单体能量密度在2020年达到 300Wh/kg,2025年达到 400Wh / kg,2030年达到500Wh/kg。

这对现有的液态锂电池而言是一个很高的目标。 “特斯拉用的电池目前是全球能量密度最高的动力电池,2018年初特斯拉宣布与松下联合研发的21700单体能量密度达300Wh/kg,而国内一般电芯厂家的单体能量密度在230Wh/kg左右,到2020年实现国家要求的300Wh/kg挑战很大。” 清陶能源董事长冯玉川解释,但固态电池就相对容易实现这一目标。

作为下一代电池技术的固态电池,对很多人而言是一个比较模糊的概念。

简单地说,固态锂电池是相对液态锂电池而言,是指结构中不含液体,所有材料都以固态形式存在的储能器件。具体来说,它由“正极材料+负极材料和电解质”组成,而液态锂电池则由正极材料+负极材料+电解液和隔膜组成

中科院物理所研究员、固态离子学课题组组长黄学杰介绍,固态锂电池采用金属锂作为负极,固体无机或高分子材料作为电解质,能量密度比采用同类型正极材料的锂电子电池高20%-30%。

冯玉川分析,“全固态锂电池单体的能量密度在实验室可以到430Wh/kg以上,在中试阶段可达375Wh/kg,在量产阶段可以轻松达到300Wh/kg以上。”

在能量密度之外,安全性是固态电池的更大优势。对此,中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员董衫木表示,目前液态锂电池选择使用的液态有机电解液易燃易爆,用固态电解质代替液态电解液,是我们公认可以提升锂电池安全性能最为有效的方法之一。

清华大学材料学院副教授李亮亮分析,固态电解质不易燃,还不会产生液态电解液,因此不带腐蚀性,是解决电池安全性问题的有效方法,也符合未来电池发展的趋势。

同时,固态电解质较高的机械强度也能有效地抑制电池循环过程中锂枝晶的刺穿, 使锂金属负极的应用成为可能。

根据北京理工大学材料学专业硕士研究生杨豪等人的研究,在全固态锂电池中, 由于这种锂金属负极的设计, 一方面电池的重量能量密度和体积能量密度将得到进一步的提升, 且其正极材料可以延伸到更多的其他材料; 另一方面, 锂金属负极的应用也带来了锂枝晶生长所引起的安全问题。 而固态电解质具有良好的机械性能,能有效地防止锂枝晶的穿透并抑制其生长, 兼具电解质和隔膜的功能。

根据固态电池中固态电解质的状态,可以将固态电池分为全固态和半固态电池,前者的电解质是固态,但在电芯中有少量的液态电解质,后者就是一半固态电解质、一半液态电解质,如本文开篇提到的24M这家公司的产品。

全球固态电池最新进展

正是因为固态电池具有这么多的优点,世界多国政府都高度重视固态电池的研发,上市公司和创业公司纷纷投资固态电池这一全新赛道。

其中,日本在全球遥遥领先。2018年7月,日本国立研究机构——新能源产业技术综合开发机构(NEDO)对外宣布启动第二阶段固态锂离子电池研发项目,并为此斥资100亿日元(约合人民币5.9亿元),成员包括23家整车及电池、材料厂商,另外还有15家大学及公共研究机构,计划到2022年全面掌握全固态电池相关技术。

日本企业在固体电池方面的研究开始的较早,水平较高,尤其是在硫系固态电解质方面,日本丰田汽车公司近日披露了其全固态电池的框架,并计划于本世纪20年代初实现商业化。

在韩国,三大蓄电池厂商LG化学、三星SDI和SK创新2018年11月对外宣布,联手开发核心电池技术,将成立一个规模1000亿韩元的基金,计划在固态电池、锂金属电池和锂硫电池领域进行研发,来打造下一代电池产业生态系统。

2018年11月,德国总理默克尔将计划拨发10亿欧元用于支持德国的一家电池生产商,同时也将资助一家电池研发机构,用于开发下一代的固态电池。德国政府的这一举措是为了减少德国车企对于中日韩电池供应商的依赖。其中,大众和宝马公司也在大力发展固体电池,可能从2024或2025年开始批量生产。

在法国,博洛雷(Bolloré)公司一直致力于聚合物全固态电池的研究,其子公司Bat Scap生产的PEO基固态锂离子电池用于电动汽车,是国际上第一个采用固态锂电池的电动汽车案例,但该聚合物固态电池需要在80℃下工作,且比能量不够高,未显示出相较于液态电解质电池的优势。

美国则主攻基于聚合物和氧化物固态电解质的全固态锂电池的研发路线,美国先进电池联合会(USABC)提出在2020年将电芯能量密度提高至350Wh/kg。一些初创的电池企业如Sakit 3、SEEO、Quantum Scape和SolidPower等纷纷宣布在高能量密度全固态锂电池研发方面取得重大进展。

其中,2015年Sakti 3表示将开发出能量密度为当前锂电池2倍的全固态电池,而成本只要锂电池的五分之一。自 2012 年以来,苹果公司就已经开始布局全固态电池技术的专利。2017年,美国专利商标局公布了苹果一项与固态电池充电技术相关的新专利。

相比世界其他各国,中国的固态电池进展要更快。中科院宁波材料技术与工程研究所牵头承担的纳米先导专项“全固态电池”课题在去年年底通过验收。这一技术突破将进一步推动国内全固态锂电池的规模应用,有望让新能源汽车续航更久,更安全。

在企业方面,作为全球最大的动力电池和新能源汽车生产国,中国动力电池企业和车企则表示了对动力电池最浓厚的兴趣。

在上市公司领域,当升科技表示,正在持续关注固态锂电前沿技术信息,并已开展前瞻性开发工作,预计2025年以后固态锂电可逐步实现产业化;宁德时代,在聚合物固态锂金属电池和硫化物基固态电池方向分别开展了相关的研发工作并取得了初步进展,其在固态电池上的思路是对正极材料做了保护,提高兼容的问题;比亚迪,曾于2017年8月申请了一种全固态锂离子电池正极复合材料及固态锂离子电池发明专利,并在2018年1月表示正在积极推进固态电池项目商用;国轩高科2018年3月对外表示,半固态电池技术已处于实验室向中试转换阶段;赣锋锂业2018年3月表示,正在对固态电池进行广泛试验工作,拟在2018年12月建成第一代固态锂电池生产线,在2019年12月完成3亿元固态锂电池销售,并推动第二代固态锂电池技术成熟化,实现第三代固态锂电池可研。

在创业公司领域,中科院物理所背景、中科院院士陈立泉和北汽新能源原总工俞会根投资的背景卫蓝新能源科技有限公司,在江苏溧阳成立了江苏卫蓝新能源电池有限公司,正在建设电池中试线;已经完成B轮融资的清陶(昆山)能源发展有限公司在2018年11月对外宣布,其建成的全国首条固态锂电池产线已于11月正式投产。

固态电池尚在研发阶段

尽管全球的固态电池研发和投资热闹非凡,但整体来看车用固态电池尚处于研发阶段,还远远未进入量产阶段。

“尽管固态电池具有高安全性、高能量密度、循环次数高、相对较轻等特点,但界面阻抗大(电解质跟材料界面是固-固状态,不利于锂离子传输)、快充难度大(高阻抗、低导电率导致内阻大)、成本高等一系列问题尚待解决。”劲邦资本合伙人王荣进分析。

中科院青岛生物能源与过程研究所研究员崔光磊认为,现在的固态电池停留在研发阶段,主要是因为固态电池存在容量衰减、内阻增加、内路短、热失控、日历失效等失效行为,降低了电池的能量密度、功率密度、循环寿命、安全性和可靠性。

从实操的角度来看,清陶新能源材料研究院院长何泓材分析,固态电池研发和生产的主要挑战在于:高离子导电率固态电解质材料的开发;固体与固体之间的接触界面高阻抗和稳定性问题;固态电池特需设备的开发等。只有这些挑战都能找到解决方案,固态电池才能够实现量产。不少创业公司可能仅仅在其中一两点上有自己的解决方案,最终还是没能实现固态电池的产业化。

青域基金创始人徐政军解释,国内好多科研院所像中科院青岛能源所、宁波材料所、物理所等都在做,产业龙头宁德时代也在做,但都还在实验室样品阶段。外面传的所谓固态电池,都不是真正的“全固态锂电池”,很多都是半固态锂电池,电解质不是全固态的,是固液混合的。

因此,王荣进预测,固态电池的应用演进路径为,先在消费电子经过充分的验证后才有可能电动车上使用, 再经过年整车测试验证,预计整体所需时间至少为年。

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