《“快充+全固态”进展观察:实验室领跑,市场静待》

  • 来源专题:可再生能源
  • 编译者: 武春亮
  • 发布时间:2025-02-26
  • 市场对于固态电池总是抱有许多期待。早期,关注点聚焦于技术路线的突破与选定。现在,随着硫化物固态电解质逐渐成为业内共识,并锚定2027年为全固态电池初步量产的时间节点,市场又开始追求固态电池成为“六边形战士”。

    作为动力电池上车的紧迫,叠加eVTOL等新兴市场的推动,固态电池被期望在安全性、能量密度、循环寿命、充放电倍率和成本等方面实现均衡发展。

    其中,倍率性能越来越成为“审视”固态电池的关键指标之一。尽管能量密度瓶颈的突破,已能够减少充电频次,但为了与液态电池竞争,固态电池依旧被期待达到4C以上的快充能力。

    同时,eVTOL、人形机器人等应用基于更多元的场景,也对电池的瞬时充放电和高倍率持续放电提出更高要求。自2024年下半年起,市场已开始热炒固态电池带动新型导电剂(如单壁碳纳米管)需求增长的预期与逻辑。

    然而,尽管市场对快充型固态电池寄予厚望,实际进展却相对缓慢。

    根据高工锂电对近年已公开固态电池产品的梳理,宣称实现4C以上快充性能的产品中,绝大部分仍为半固态电池。市场上尚无成熟的快充型全固态电池产品,而已发布的全固态电池,其技术突破也鲜少指向倍率性能。

    以eVTOL企业亿航智能为例,为匹配不同运营场景,其选择与电池企业合作,并行推进高能量密度与高倍率固态电池的研发。这从侧面印证,快充性能依旧是全固态电池亟待突破的关键瓶颈。

    近期,固态电池企业中科深蓝汇泽在行业会议上指出,快充固态电池的核心是实现离子和电子的快速协同输运。全固态电池实现快充有其本体优势,在于固态电解质通常具有高于液态电解质的离子电导率,且锂离子传输过程无需溶剂化/去溶剂化步骤。但其瓶颈也十分明显,体现在锂离子需通过固固界面传输。因此,解决固固界面问题是实现快充全固态电池的首要问题。

    以硫化物固态电解质为例,尽管离子电导率较高,但为避免锂枝晶在锂金属或碳基负极中形成,并引发短路,电池通常需在较低电流密度下运行。此外,为维持电解质-活性材料界面的接触,可能需要施加5 MPa以上的外部压力。

    目前,学界总结出的提升固态电池快充性能的策略包括:提升电解质电导率、在正负极材料中构建离子/电子混合传输通道、改善固固界面问题。这些策略主要涉及新型材料的开发和设计,如高熵固态电解质、复合电解质、合金化锂金属负极和均质化正极等。

    值得关注的是,均质化正极的设计可赋予正极材料体系本身出色的电子和离子传输能力,基于此降低对传统正极中离子传输材料、导电添加剂等的需求(可减少近20%的添加量)。由此,原先被占用的空间得以释放,可全部用于提升活性正极材料的比例,最终实现能量密度与倍率性能的同时提升。

    基于以上策略,部分研究团队已经取得了显著进展。例如,有团队基于硫化物-卤化物复合固态电解质,在正极活性物质比例达到95%时,实现了49C的超高倍率充放电,并保持了较长的循环寿命。

    此外,人工智能在加速新型材料研发方面也发挥了重要作用。例如,清华大学张强团队开发了高通量电解质计算软件,能够从海量分子中筛选出适合快充体系的电解质材料,并通过实验验证其性能,为快充型全固态电池的研发提供了新的突破点。

    然而,尽管快充型全固态电池在实验室阶段取得了一定进展,但在产业化的道路上仍面临诸多挑战。例如,固态电解质在生产过程中,由于其从粉末变为薄膜形态,可能导致离子电导率降低,且可能需要额外引入导电材料进行改善。

    另有业内人士指出,根据专利检索,日本在高功率固态电池领域的布局相对领先,这使得国内固态电池团队在全固态快充电池的技术布局和产业化推进上,面临较大的竞争压力。因此,推动产业链协同创新,破解快充技术瓶颈,将成为接下来实现全固态电池商业化应用的关键方向之一。

  • 原文来源:https://news.bjx.com.cn/html/20250226/1429096.shtml
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    •  相较于传统的锂离子电池,固态电池能提供更好的续航能力和安全性,但目前而言,固态电池迫于技术和成本的双重制约,距离产业化仍然需要很长时间。   光大证券认为,固态电池有望成为下一代高性能锂电池。目前中国大部分的汽车厂商和新能源厂商也在参与固态电池的研发。   固态电池的不同技术路径   2019年12月,工信部发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿),在“实施电池技术突破行动”中,加快固态动力电池技术研发及产业化被列为“新能源汽车核心技术攻关工程”。这意味着固态电池有望上升至国家战略层面。   固态电池是以固体材料来代替现有锂离子电池中使用的液体成分,固态电解质的厚度仅3~4微米,非常轻薄,不仅减小了体积,也降低了重量。   固态电池的技术发展采用逐步颠覆策略,液态电解质含量逐步下降,全固态电池是最终形态。依据电解质分类,锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类,其中半固态、准固态和全固态三种统称为固态电池。   不过,固态电池的技术路线目前仍有很大分歧。   固体电解质可大致分为三类:无机电解质、固态聚合物电解质、复合电解质。目前业内比较看好的材料包括固态聚合物、硫化物、氧化物、薄膜等。   光大证券认为,聚合物固态电解质将率先实现应用,但存在高成本和低电导率两个致命问题。   目前主流的聚合物固态电解质是聚环氧乙烷(PEO)电解质及其衍生材料。相比之下,氧化物固态电解质综合性能好,进展最快。硫化物固态电解质电导率最高,研究难度最大,开发潜力最大,但如何保持高稳定性是一大难题。高能聚合物体系仍处于实验室研究阶段,LiPON薄膜型全固态电池已小批量生产,非薄膜型已尝试打开消费电子市场。   近年来多家中国企业建立氧化物固态电池生产线。   苏州清陶新能源在江苏昆山建成投产的固态锂电池生产线,单体能量密度达400Wh/kg以上,拟于2020年进入动力电池应用领域。   辉能科技与南都电源合作建立的国内首条1GWh规模的固态电池生产线也将于2020年建成,公司今年4月刚完成D轮融资,用于加速固态电池商业化落地和工厂建设,辉能在氧化物固态电池方面取得了一定的成果。   日韩和欧洲企业则投入了大量资金进行硫化物固态电解质的研究。   2020年日本丰田计划推出搭载硫化物固态电池的新能源汽车,计划于2022年实现量产。十几年前丰田已开展固态电池研发工作,不仅获得了固态电解质材料、固态电池的制造技术等方面的专利,还研发了一整套的正极材料和硫化物固态电解质材料回收的技术路线和回收工序。三星和宝马也都在研发硫化物固态电池的技术。中国的宁德时代(300750.SZ)也在这一方向上发力。   全固态电池商业化还要5~10年   今年3月初,三星高等研究院(SAIT)与三星日本研究中心(SRJ)在《自然-能源》介绍了其在固态电池领域的最新进展,称已经开发出一种高性能全固态电池。这种电池的循环寿命超过1000次,可以让电动汽车在单次充电的情况下行驶800公里。   丰田也在联手松下开发固态电池领域技术;宝马于2017年开始牵手Soild Power开发固态电池,福特和三星也于去年投资了Solid Power;大众也表示将在欧洲建厂生产固态电池,有望在2024~2025年间实现量产。   另一家瞄准动力电池市场的是戴森。戴森创始人詹姆斯·戴森表示,向其他车企出售固态电池是一个进入汽车行业的选项。   光大证券称,固态电池领域已经进入“军备竞赛”阶段,各企业期望抢占先机以赢得市场份额。固态电池领域市场参与者众多,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。随着越来越多的企业加入,固态电池产业化进程不断加速,按照目前的发展情况,2021~2025年固态电池将实现初步应用。   不过全固态电池的商业化还需要很长时间。去年底,宁德时代一位电池开发负责人曾表示,全固态电池实现商品化要到2030年以后。   光大证券研报显示,固态电池的工艺路线尚不成熟,降本仍需过程,全面产业化预计需要5~10年。例如三星的固态电池虽然能够达到长续航,但生产环境要求苛刻,银碳层大规模生产所需的贵金属纳米银成本较高,短期产业化并不现实。   国内固态电池产业化进程正在不断加速。   国轩高科2019年推出了半固态电池的试生产线;赣锋锂业年产亿瓦时级第一代固态锂电池研发中试生产线已建成试产,不久将正式投产;比亚迪也曾表示正在积极推进固态电池项目商用;宁德时代的全固态电池还在开发中,预计2030年后实现商品化。   此外,天齐锂业2018年开始布局固态电池,其参股公司美国Solid Energy主要开发和生产具有超高能量密度、超薄锂金属电池,开发电解液和负极材料。2018年宣布与中国科学院等机构进行固态电池技术合作,目前尚处于实验试制阶段。鹏辉能源固态电池处于研发阶段,计划在未来2~3年内推出固态电池产品。   近两年内固态电池生产线迎来一轮不小的投产潮,清陶、卫蓝新能源、辉能科技等企业将建固态电池生产线,虽然目前各企业均未公布固态电池成本,但此前已有预测,固态电池成本将远高于锂离子电池,未来固态电池若想实现产业化,降本则成必然。   光大证券认为,固态电池的生产可组合传统锂离子电池产业链。与传统锂离子电池相比,固态电池电芯制备不存在革命性创新,只是电极和电解质制造环境要求更高,需要在惰性气体保护下或在干燥间内进行,这与制造超级电容器、锂离子电容器等空气敏感储能器件的生产环境相似。