全固态电池商用任重道远
据能源圈了解到,固态电池是不是“炒”过头了?
此前,宁德时代董事长曾毓群表示,当前行业良莠不齐,许多产品“名不符实”;欧阳明高也提到,固态电池的发展要循序渐见,避免形式主义。
毫无疑问,今年以来最受锂电市场关注的,就是固态电池技术路线。
在一二级市场,固态电池的热潮不仅带动了初创企业的投融资高峰,也推高了固态电池相关企业的股价。
国家层面,对固态电池技术寄予重视,工信部和财政部牵头,为全固态电池发展提供60亿元政府基础研发资金支持。
在产业界,今年以来,头部电池厂商密集披露了固态电池规划进度。其中,宁德时代规划2027年实现全固态电池小批量生产;国轩高科发布首款金石固态电池,计划2027年小批量上车,2030年实现量产;中创新航发布“无界”固态电池,计划2027年实现装车,等等。
固态电池的火热,背后有多种因素的交织,既有产业层面技术升级的要求,而在更大的层面也有不同国家与地区的产业链博弈。
首先,就产业链技术发展而言,当前技术体系已经逐渐达到了性能瓶颈,放在下游市场,电池的安全性、能量密度表现仍未完全解决消费者的担忧,以新能源汽车市场为例,在终端渗透率突破50%之后,新能源汽车渗透率的提升放缓,扩大新能源汽车的市场占比需要新一代电池技术的支撑。
固态电池作为下一代电池技术,正由于其在安全性、能量密度的显著提升,承载了产业界技术升级的期待。
再上升到国家战略层面,随着锂电池应用的不断扩张,储能、航空、船舶、新能源汽车等等,锂电产业已经成为新世纪能源革新的代表,随着锂电产业应用市场和规模的进一步扩大,有望成为各国支柱性产业链的重要支撑。针对锂电技术的国际化比拼也暗流涌动,日本、韩国、美国、欧洲各国也都推进了固态电池技术发展规划,以求在下一代技术中赶超中国。
但是抛开固态电池带来的市场热度,固态电池难产是业界的首要问题。作为固态电池先行者,丰田屡屡推迟固态电池量产时间表,国内电池、材料企业对与固态电池技术路线也未达成一致共识。
近期,高工锂电固态电池巡回走访多家核心材料、电池以及新能源汽车厂商,对于固态电池的量产难点,产业化进程也将给出解析。
全固态电池难在哪?
首先需要澄清的是,当前,能够实现装车的均为半固态电池,即以固液混合电解质替代传统液态电解液。不少车企,乃至电池企业宣称的“固态电池”也均为“半固态电池”。
尽管半固态电池被视为全固态电池的一种过渡技术路线,但技术本质上,两者仍有区别。
有产业界人士对高工锂电表示,半固态电池技术路线主要是对传统液态锂电池技术的升级,采用的设备和材料体系与传统液态锂电池一致,目前已具备大规模量产条件。但相比之下,全固态电池不论是设备,还是材料、工艺,当前都不成熟。
产业界从半固态电池过渡,其实也在为全固态电池的材料、设备研发争取时间,从侧面也表明,全固态电池量产仍面临众多问题。
与半固态电池这类可以采用已有成熟产业链的技术路线相比,全固态电池不仅要面临“造不造得出来”的问题,还要考虑“用不用得上”。
“造不造得出来”主要看材料、设备是否成熟,生产的良率是否有保障。
目前来看,固态电池技术路线中,氧化物、聚合物、硫化物等因为研发历史较久而受到市场的关注。
三大技术路线共同的技术难题都包括固固界面接触带来的电导率和稳定性问题,目前始终没能找到较好的办法。
以硫化物固态电池为例,在界面层面,由于电极和固态电解质的不稳定性,界面问题将导致Li+耗尽,阻碍电荷传输,进而影响全固态电池的能量、功率特性和使用寿命,尽管当前界面问题可以通过引入缓冲层,如进行正极包覆和负极人造SEI层,但是均匀缓冲层的设计和构建仍有挑战。
此外,通过对复合电极和电池施加足够高的压力是环节界面机械失效的方法,但是施加压力的方式和大小仍不确定。就产业设备而言,业内人士对高工锂电表示,目前就聚合物、氧化物技术路线来说,设备相对成熟一些,但是硫化物路线设备仍有很大的性能改进空间。
除了界面问题外,枝晶问题也同样存在于固态电池,由于固态介质的问题,固态电池在充放电过程中容易出现不均匀沉积的现象,进而导致空穴和极化现象,影响固态电池的性能和使用寿命。
材料问题则是另一大重点。除了固态电解质本身电化学性能的稳定性外,如何匹配合适的正负极材料亦是一大难点。
对于固态电池而言,其最大的作用便是综合材料体系的革新带来能量密度和安全性的跨越式提升,这也意味正负极材料不仅局限于三元、磷酸铁锂体系,但是作为前沿技术应用的锂金属负极、硅基负极都不成熟。寻得合适的新型正负极材料是业界探索的一大方向。
“用不用得上”主要看成本、性价比以及安全性等问题。
生产成本高昂,是固态电池面临的又一问题,尤其是高性能固态电池的生产。
从材料成本来看,当前固态电池材料成本高昂,仅硫化物固态电解质成本就达到2万元/kg。
固态电池材料价格的混乱,也造成固态电池成本结构的失衡,业内人士表示,当前固态电池产业链处于发展初期,材料价格波动较大,并未形成稳定且透明的成本结构,对于不同企业,不同订单需求,上游材料企业往往以差异化的价格对待,这些因素都推高了固态电池的成本。
据高工锂电调研了解,有头部电池厂商透露,目标是在2027年实现固态电池成本在1.5-2元/Wh的水平,但是这一成本水平离产业化目标相距仍有一定距离。对比同期磷酸铁锂电池价格,预计2027年将在0.3元/Wh甚至更低,固态电池成本价格超出磷酸铁锂价格5倍以上。
此外,目前产业链多以10Ah、20Ah容量的固态电池生产样品为主,而搭载在电车上的电芯容量多超过50Ah,甚至达到100Ah。生产大容量固态电池,在测试过程又存在指数级提升的安全隐患。
综合以上问题,固态电池技术瓶颈众多,仍以实验室为主。
全固态电池量产=商用?
但与目前固态电池所遇到的困难相比,显然市场给予固态电池的期待更大。全固态电池的热潮也从起初的乘用车市场,席卷到了航空,储能。
距高工锂电不完全统计,目前已有超20家电池企业、车企公布了自己的固态电池量产及上车计划,时间节点也多集中在2027-2028年。
但是也值得注意的是,量产以及上车并不等于真正的商业化应用。
真正意义上的商业应用,意味着产品能够大规模、低成本生产,这是消费端普及应用的基本条件。从这一条件来说,电池厂商和车企于2027-2028年量产和装车离真正意义上的商业化应用仍有距离。
目前所披露的全固态量产和上车计划,示范意义大于应用意义。
业内人士表示,2027年的量产和上车是一个目标和风向,并不等于真正的推向市场,国家60亿元资金支持固态电池,也是对这一前沿技术的鼓励和探索。
对于产业化问题,欧阳明高此前表示,即便全固态电池实现技术突破,实现2030年产业化,要替代液态锂电池50%市场份额,至少需要20-30年。
从研发到量产,从量产到商用,固态电池每一个产业进程都具有不确定性。
正因此,市场对于全固态电池技术路线也存在质疑,借由固态电池当前混乱的产业生态,也滋生着一系列行业乱象。业内人士坦言,如今涌现出一批固态电池初创企业,以及不少企业蹭上固态电池的热度,对于这一部分企业而言,固态电池更是一种商业运营的手段,而非以产业化为目标。
那么,全固态电池值不值得探索?这背后,其实也是如何平衡前沿技术探索带来的风险和不确定性。
2027年全固态电池从实验室落地为产品,或许面临极高的成本,但这一示范效应仍是有积极作用的。
从产业化进程角度来看,欧阳明高提到,对于汽车技术而言,1%是一个重要的市场份额,全固态电池实现1%就已具备突破性的意义。2016年,国内新能源汽车占有率达1%的情况下,全球已开始朝电动汽车转型,固态电池如若能达到1%的市占也将带来新技术的革新浪潮。
从0到1的过程也许很慢,但是从1-10的过程往往是加速的。对于固态电池而言也是如此,放下市场的杂音和纷扰,审慎看待固态电池的产业化,不妨多些耐心和等待。
资讯来源:高工锂电
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