鉅大LARGE | 點擊量:836次 | 2020年02月25日
鋰離子電池“終結者”再突破,固態電池搶占制高點
據媒體十一月二十七日報道,澳大利亞迪肯大學的研究人員表示,他們已經設法使用常見的工業聚合物來制造固體電解質,有望使鋰離子電池的能量密度新增一倍,這種固態鋰離子電池在過熱時不會爆炸或著火。目前團隊已經在紐扣電池中進行了測試,他們將尋找商業伙伴將這些固態電池推向市場。
這項新技術使用了一種弱結合到鋰離子的固態聚合物材料,來代替通常用作當前電池單元電解質的揮發性液體溶劑。
據該團隊陳芳芳博士在新聞稿中表示:假如行業采用我們的技術,我可以預見道這樣一個未來,例如,可以將電池相關設備安全地裝在飛機行李中,或者電動汽車不會像現在這樣對乘員或急救人員鋰離子電池構成火災危險。
近年來,動力鋰電池作為電動汽車的心臟一直備受關注。隨著電池技術的快速發展,當前全球多家巨無霸車企關于固態電池都在投入重金競相研發。固態電池與傳統鋰離子電池相比具有更高的能量密度,同時擁有更大的功率和更長的使用時間,是下一代鋰離子電池發展的大趨勢。
隨著全球知名公司和研究機構的研公布局,預計2030年全球固態電池需求有望接近500GWh。參考SNEresearch的動力鋰電池出貨量預測,若固態電池能在2022年實現市場化并逐步提升滲透,到2025年固態電池在動力鋰電池中的市場空間大約能達到60億元左右。
從早期的鉛酸電池,到豐田等日企主打的鎳氫電池,鉅大鋰電再到2008年特斯拉roaster使用的鋰離子電池,傳統液態鋰離子電池已統治動力鋰電池市場十年。未來,能量與安全需求與傳統鋰電技術的矛盾將越來越凸顯。
再從Fisker宣稱開發充電1分鐘行駛500公里的固態電池,到寶馬已與SolidPower進行合作開發下一代電動汽車用固態電池,再到豐田又宣稱將在2025年前實現全固態電池的實用化。作為下一代電池技術的代表,固態電池日益引發市場高度關注,引發全球范圍的公司進行提前卡位。
固態電池是采用固態電解質的鋰離子電池。固態面對的挑戰重要包括降低成本,提高固體電解質的安全性,以及在充電和放電時保持電極和電解質之間的接觸。
與傳統鋰離子電池相比,全固態電池最突出的優點是安全性。固態電池具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發的特性,避免了傳統鋰離子電池中的電解液泄露、電極短路等現象,降低了電池組關于溫度的敏感性,根除安全隱患。
相比于傳統的鋰離子電池來講,由于固態電解質取代了傳統鋰離子電池中可能燃爆的有機電解液,這樣解決了高能量密度和高安全性能兩大難題,在相同能量下用固態電解質取代電解液的電池,更薄且體積更小。
許多問題很難在鋰離子電池現有技術的參數范圍內得到解決:(1)安全性和可靠性;(2)能量密度;(3)運行環境溫度;(4)充電速度。固態電池作為下一代很有前途的技術,很有可能解決這些問題,而且其性能的提高也很明顯。
目前全固態電池尚處在研發早期,研發方向重要包括聚合物、氧化物和硫化物三大固態電解質的典型技術開發方向。三大體系各有優勢,其中聚合物電解質屬于有機電解質,氧化物與硫化物屬于無機陶瓷電解質。
其中,聚合物固態鋰金屬電池的開發重要以Bolloré、寧德時代和東北師大為代表;氧化物鋰金屬固態電池的開發重要以美國橡樹嶺國家實驗室,QuantumScape,Sakti3以及中科院等為代表;硫化物固態電池的開發重要以豐田、三星、本田以及寧德時代為代表,其中以豐田技術最為領先。
關于全固態鋰離子電池來說,當前階段最大的需求來自于汽車產業,隨著新能源汽車的鋪開提上日程,各大車企紛紛布局全固態鋰離子電池,期待3-5年后開始全固態鋰離子電池的商業化生產。除此之外,消費電子、智能家居和航天特種等領域也存在一定的全固態鋰離子電池需求。
全固態電池有望成為下一代商業化動力鋰電池,募投項目中下一代電池研發方向包括氫燃料電池、鋰空氣電池和全固態電池,其中全固態電池最有望成為下一代商業化動力鋰電池。
目前全球供應商、材料公司、電池公司都在大力推進固態電池的研發。
縱覽全球固態電池公司,有初創公司,也不乏國際廠商,公司之間獨踞山頭信仰不同的電解質體系,未出現技術流動或融合的態勢。
歐美公司偏好氧化物與聚合物體系,而日韓公司則更多致力于解決硫化物體系的產業化難題,其中以豐田、三星等巨頭為代表。
固態電池領域的第一集團軍,日本擁有固態電池專利916件,占比接近一半,領先優勢明顯;美國和我國分別以398件和362件的專利數位居第二、第三。
在全固態電池專利方面,日本具有明顯的優勢,豐田擁有固態電池專利252件,數量遠超其他車企與電池公司。
豐田汽車2010年,推出硫化物固態電池;2014年,原型固態電池能量密度已達400Wh/k鋰離子電池廠家g;2018年,日本投資100億日元,豐田、本田、日產、松下,京都大學、日本理化學研究所等參與研究,計劃2022年掌握全固態電池技術;2019年,與松下合資,為550多萬輛電動汽車供電池,豐田51%股份。
固態鋰離子電池前20位專利申請人中,日本公司占11家,其中豐田申請量最多,達1709件,是第二位松下的2.2倍。排名前10均為日韓公司,其中日本8家,韓國2家。
日本的豐田汽車、本田研發、日產汽車和雅馬哈汽車甚至組織成立LIBTEC,計劃共同開發固態電池的基礎技術。LIBTEC固態電池的開發目標包括:體積能量密度達600Wh/L,成本達600元/kWh,快速鋰離子電池充電時間為10分鐘。
豐田汽車和松下的聯盟(豐田有近300名工程師參與研發固態電池),該聯盟表示將在五年內將固態電池商業化。豐田和NEDO所制定的全固態電池的商業化普及方案,首先使用現有LIB的正負極材料開發全固態電池(第一代電芯)。
之后再使用新的正負極材料以期進一步提高能量密度(下一代電芯),預計2022年豐田汽車生產固態電動汽車的樣車,2025年在部分車型中使用固態電池。2030年實現大規模量產應用,能量密度可達500Wh/kg。
隨著固態電池技術方面取得新突破,固態電池的落地進程將再進一步。
從海外各家公司實驗與中試產品來看,固態電池能量密度優勢已開始凸顯,明顯超過現有鋰電水平。
在我國,固態鋰電的基礎研究起步較早,在六五和七五期間,中科院就將固態鋰電和快離子導體列為重點課題,此外,北京大學、我國電子科技集團天津18所等院所也立項進行了固態鋰電電解質的研究,并在此領域取得了不錯的進展。
當前國內已有上市公司布局固態電池相關業務,關于下一代電池技術研發和產業化應用,已逐漸進入二級市場視野。國內在進行固態鋰電開發的公司包括:寧德時代、贛鋒鋰業、珈偉股份、江蘇清陶能源、臺灣輝能、中航鋰電、比亞迪、萬向、威馬汽車等。
未來,隨著產業投入逐漸加大,產品性能提升的步伐也望加速。
回溯傳統鋰電成本曲線,14年時單位成本接近3元/Wh,而隨著產能迅速擴張,目前成本已降至1.2元Wh/kg左右。
固態電池作為一項顛覆性技術,技術一旦突圍成功,行業成長曲線料將獲指數級增長,工業化大批量生產將使成本問題迎刃而解,傳統鋰電的降本邏輯有望得到復制。
展望發展趨勢,固態電池階段發展之路已經明晰。結構上,現階段電池體系包含部分液態電解質以取長補短。而技術發展過程中將逐漸減少液體的使用,從半固態電池到準固態電池,最終邁向無液體的全固態電池。
應用領域上,有望率先發揮安全與柔性優勢,應用于對成本敏感度較小的微電池領域,如RFID、植入式醫療設備、無線傳感器等;技術進步后,再逐漸向高端消費電池滲透;隨著產品的成熟,最終大規模踏入電動汽車與儲能市場,從高端品牌往下滲透,實現下游需求的全面爆發。
鋰電產業鏈是一個可以看至少10年的行業,而新技術的開發與崛起也將不斷強化行業的估值與前景。
在行業看好與多方布局之下,固態電池產業有望獲得超速發展。固態電池承載著電池安全與能量全面提升的光榮使命,未來有望成為行業的新爆發點與關鍵性技術保障,政策在逐漸褪去,市場正回歸理性,當新能源汽車回歸商品屬性時,還有技術在前方保駕護航。
東莞市鉅大電子有限公司成立于2002年,總部位于我國廣東省東莞市南城區高盛科技園,是一家為全球用戶在移動電源、儲能電源、動力電源和備用電源的個性化需求,供應特種鋰電系統定制化方案和產品的國家級高新技術公司。