前言
在能源需求日益增长和环境保护意识提升的今天,固态电池以其卓越的安全性和高能量密度,成为电池技术革新的先锋。固态电池采用固态电解质代替传统的液态电解质,不仅从根本上提高了电池的安全性,避免了过热引发的火灾风险,还因其结构优势,实现了能量密度的显著提升,满足了电动汽车和移动设备对更长续航能力的追求。
目前固态电池的研发和投产已经是头部电池厂商的重大战略之一,国内已有多家厂商在固态电池的研发中取得不错进展,有一些已经推出了半固态、准固态电池产品,还有一些厂商目前已经研发出了用于固态电池的新型材料或新技术。本次我们来看看固态电池目前的研发进展。
固态电池简介
开始之前,我们先了解下关于固态电池的一些基本信息。
定义
固态电池如今尚无十分精准的定义,一般而言,固态电池被定义成一种使用固体电极和固体电解质的电池。
然而,限于技术难度和高昂成本。如今,极少出现电解液为全固态的电池,主流的“固态电池”基本都是液态到固态的过渡阶段。为了更好划分电解液的“固态成分”占比,我们引入wt%(重量百分比)来理解。
半固态、准固态、全固态
根据电解液中液体占比的多少,我们可以将电池划分为半固态电池、准固态电池、全固态电池。
倘若我们用电池液体的重量百分比进行精准描述,半固态电池为5-10wt%,准固态电池0-5wt%,全固态电池0wt%。而他们都可以笼统成为“固态电池”。
固态电池研发进展
我们统计了目前国内一些知名企业的固态电池最新进展,排名不分先后,按照企业首字母顺序排列。
CAS中国科学院
中国科学院青岛生物能源与过程研究所科研团队在全固态锂电池领域取得新的突破,开发了一种新的材料——均质化正极材料(锂钛锗磷硫硒),具有高电导率、高能量密度、长使用寿命等优势,为全固态锂电池的快速商业化提供了技术支撑。
研究团队通过调控LiTi2(PS4)3的电导率和充放电容量,成功合成出兼具高离子电导率(0.2 mS cm−1)、高电子电导率(225 mS cm−1)和高放电比容量(250 mA h g−1)的Li1.75Ti2(Ge0.25P0.75S3.8Se0.2)3。该材料的离子和电子电导率高于传统层状氧化物正极材料1000倍以上,比容量超过目前的高镍正极材料。
同时,该材料在充放电过程中仅发生1.2%的体积形变,低于传统层状氧化物正极材料的50%。高的电导率可确保正极在不添加导电助剂的情况下正常充放电,低的体积形变保证了电池在充放电过程中结构的稳定性。研究发现,以100%活性材料构筑的全固态锂电池在5000圈循环后保持初始容量的80%,其390 Wh/kg的高能量密度是目前所报道长循环全固态锂电池的1.3倍。
CTAL宁德时代
宁德时代在全固态电池的研发上已经投入了7-8年时间,关注氧化物、硫化物、聚合物等不同的固态电解质技术路线。他们已经推出了凝聚态电池的车规级应用版本,并且正在重点布局硫化物全固态路线,尽管商业化仍需5年以上时间。
曾毓群表示,“固态电池有3条技术路线,即氧化物路线、硫化物路线、及聚合物路线。目前还有很多基本的科学问题待解决,如大多数固态电解质中的离子扩散速率与液态电解质存在数量级差异、固固界面难以始终保持良好接触等,在突破这些科技问题后,还会遇到产业化的问题。”
第三,曾毓群对宁德时代的固态电池做了一个简要介绍。
曾毓群透露,“公司(宁德时代)非常重视固态电池,已经进行了多年的布局,最近加大了很多投入。”
曾毓群继续指出固态电池存在的一些难以解决的问题,这也在意料之中,但是同时披露宁德时代最近对固态电池加大了投入,这无疑让大家想入非非:到底是其它家固态电池取得突破,令宁德时代急了?还是宁德时代的固态电池有了新突破,好事将近?
没有人知道,但两种可能都极为重要。如果是前者,意味着“宁王”终于迎来了挑战者,未来鹿死谁手,难说;如果是后者,我们只能说,还得是“宁王”。
业绩会之后,曾毓群又接受了英国《金融时报》的采访,其中也提到了固态电池。这一次,针对业内企业的一些固态电池布局,曾毓群的反应更为直接。
曾毓群表示,“日本汽车制造商等鼓吹的电动汽车固态电池距离商业化还有数年时间,这项技术还不够完善,缺乏耐用性,且仍然存在安全问题(比如电池在车祸中破裂导致的后果等)。”
其它国内外企业的固态电池布局到底如何,是否如曾毓群这般描述的,我们不好判定,但就丰田的固态电池布局来看,我们还是有一些话要说。
Farasis孚能科技
孚能科技在固态电池研发上分为四代,第一代软包半固态电池能量密度达270-330Wh/kg,第二代能量密度将达到300-350Wh/kg,第三代要达到330-375Wh/kg,全固态电池将达到400Wh/kg以上。2023年11月,远航Y6配套孚能科技半固态电池正式下线,续航高达720km。
根据最新消息,2022年,孚能科技第一代软包半固态电池顺利装车;第二代半固态电池已处于送样阶段,预计2025年投产。目前,孚能科技的半固态电池已经实现了超过5000次循环寿命,总行驶里程超过160万公里。
2023年11月,远航Y6配套的孚能科技半固态电池正式下线;2024年3月,孚能科技的半固态电池率先导入一汽解放商用车。
Ganfeng赣锋锂业
赣锋锂业也在布局半固态电池,选择氧化物技术路线。他们的第一代半固态产品能量密度达260Wh/kg,第二代产品可达400Wh/kg。2023年6月,半固态锂电池在赛力斯SERES-5上正式交付装车。
2024年重庆国际电池展(CIBF),赣锋锂业携其最新半固态电池“新锋”闪亮登场。据悉,这款半固态电池拥有高性能、高效率、高安全的特性。
GOTION国轩高科
国轩高科在固态电池领域,360Wh/kg三元半固态电池将在2024年量产。他们已经实现了车规级全固态电池制备及基础性能验证,成功通过严苛的200摄氏度热箱测试。
2024年5月,在国轩高科举行的第十一届科技大会上,国轩高科工程研究院总院副院长徐兴无介绍,国轩研发的半固态电池,通过正极材料颗粒表面包覆固态电解质、新型高安全功能隔膜、高安全液态电解液、硅负极、复合集流体等一系列新材料及新技术,已实现单体能量密度达360Wh/kg,并已经通过严苛的针刺测试和高于国标的180℃ 30min热箱测试,彼时已实现装车。
在会上,国轩高科工程研究总院常务副院长张宏立补充介绍道,国轩高科400Wh/kg的三元半固态电池目前在实验室已有原型样品。
未来,国轩还将在创新技术上持续发力,推动硅基负极迭代,锂金属负极和预锂技术落地,以实现电池从液态到全固态转变。国轩高科预计,2025年后将生产出能量密度超过800Wh/L、超过400Wh/kg、循环800次的全固态电池。
GREATPOWER鹏辉能源
鹏辉能源第一代固态电池在确保本质安全基础上,能量密度实现280Wh/kg。2025年,在材料端搭配使用更高比例硅基负极,能量密度将达300Wh/kg以上。公司预计2025年启动中试研发并小规模生产,2026年将正式建立产线并批量生产。
2024年8月28日,鹏辉能源进行线上产品技术发布会,正式揭晓了固态电池面纱。
发布会上,鹏辉能源公布了其全固态电池的技术路线。鹏辉能源将氧化物复合固态电解质用于构筑全固态电池,实现了电池的本质安全,同时,大幅降低了固态电池成本!安全和降本,成为鹏辉能源第一代固态电池的核心优势。
固态电池中氧化物陶瓷类电解质材料的制备,通常需要经过高温烧结工艺,这一过程不仅能耗高,效率也较低。此外,陶瓷固有的脆性使得大容量电芯的制备面临挑战。在发布会上,鹏辉能源宣布了其在固态电池领域的两大突破:工艺创新和材料体系优化,解决了氧化物固态电解质工艺的技术难题。
在工艺创新方面,鹏辉能源自主研发了独特的电解质湿法涂布工艺。这一工艺成功绕开氧化物固态电解质高温烧结过程,避开陶瓷材料固有脆性,大幅简化工艺。采用此工艺的固态电池,整体成本相较常规锂电成本预计仅高出15%左右。未来3至5年内,随着工艺的不断优化创新及材料成本的进一步下降,鹏辉能源表示其固态电池的成本有望与常规锂电池持平,为公司固态电池的产业化奠定坚实基础。
在材料创新方面,鹏辉能源的固态电池采用了自主研发的无机复合固态电解质层。除了氧化物电解质之外,这一电解质层还结合了新型无机复合粘结剂和功能添加剂等关键材料。此项创新有效改善了陶瓷在弯折时易碎的特性,增强了电解质层的粘附性和塑性,大幅减少了固态电池内部短路的概率。同时,它还有效提升了无机复合电解质层的离子电导率,降低了电芯的内阻,进一步提高了固态电池的散热能力和安全性能。鹏辉能源通过自主研发的无机复合固态电解质层,真正实现了“不止于电解质”的突破。
鹏辉能源的全固态电池在安全性能方面表现出色,能够通过最严苛的针刺试验。其不可燃的固态电解质与“自动安全机制”相结合,实现了人们对固态电池的理想性能——本质安全。除了成本降低和安全性提升之外,鹏辉能源的全固态电池已经能够在-20℃至85℃的宽温域内稳定工作,能量密度达到280Wh/kg, 2025年通过使用更高比例的硅基负极,能量密度预计将达300Wh/kg以上。 据悉,鹏辉能源计划于2025年建立全固态电池的中试线,并在2026年建成正式产线。
Narada南都电源
南都电源自2017年开展固态电池的研制工作,目前固态电池产品能量密度可达350Wh/kg,循环寿命2000次,已通过热箱、短路等安全项测试,将于今年四季度完成项目验收。
QTN清陶能源
清陶能源布局半固态电池,选择氧化物路线。他们的第一代半固态电池能量密度在240-420Wh/kg之间,第二代准固态电池能量密度为400-500Wh/kg,第三代全固态电池能量密度超500Wh/kg。
2023年,清陶能源在四川郫都建设15GWh固态电池储能产业基地,首期1GWh建成投产。
SVolt蜂巢能源
蜂巢能源在固态电池领域推出了其全球首款方形半固态电池——二代果冻电池,采用了二代果冻电解质技术和一体化复合正极技术,显著提升了安全性和能量密度,突破了方壳中高镍掺硅体系膨胀瓶颈,在安全性和能量密度方面相比液态三元有了显著提升,目前已经完成A样开发。
在研发端,蜂巢能源发布了第一个新能源行业大模型应用,采用通用大模型+锂电专业模型进行样本生成、智能标注以及通用开发,更地赋能锂电研发与生产。
在生产端,蜂巢能源与清华大学联合开发的智“慧”算法,可以对极片性能进行智能预测,且做到电芯容量预测以及电芯AI智能分选。据规划,蜂巢能源将用AI赋能动力电池生产制造的100多个场景,截至目前,已在30+场景落地应用。
WELION卫蓝新能源
2024年3月27日举行的中国汽车百人会论坛上,卫蓝新能源首席科学家、创始人李泓透露,卫蓝新能源与蔚来汽车合作,计划推出单次充电续航1000公里的混合固液电解质电池,电池包达到150度电,能量密度为360Wh/kg。他们的360Wh/kg固态锂电池产品于2023年底量产交付蔚来,续航突破1000公里。
电池交易网总结
随着全球对清洁能源的渴望和电动汽车的兴起,固态电池技术已成为能源存储领域的一颗耀眼明星。国内众多电池制造商正积极推进固态电池的研发,取得了一系列令人瞩目的成果,每一项进展都标志着固态电池技术向前迈出了坚实的一步。这些电池不仅在安全性上有了显著提升,还在能量密度、循环寿命等关键性能指标上不断突破,预示着固态电池商业化的步伐正在加快。
展望未来,固态电池技术的持续进步将为电动汽车带来更长的续航能力和更快的充电速度,同时也将为移动设备、大规模储能等领域提供更为可靠和高效的能源解决方案。随着技术的成熟和成本的降低,固态电池有望成为推动能源转型和实现碳中和目标的关键力量。各大厂商的积极布局和创新投入,不仅将推动固态电池技术的快速发展,也将为全球能源结构的优化和可持续发展做出重要贡献。
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